Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 7: Chất bán dẫn và Diode

Tp. HCM - 2012
Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin ĐHQG TPHCM
Môn học: Nhập Môn Điện Tử
Chất bán dẫn và Diode
Khái niệm cơ bản về chất bán dẫn 
Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn tinh khiết
 Là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất 
dẫn điện và chất cách điện. 
 Về phương diện hóa học thì chất bán dẫn có 4 
điện tử ở lớp ngoài cùng. (Ge) và (Si)
 Từ các chất bán dẫn tinh khiết ban đầu, người 
ta tạo ra hai loại bán dẫn: bán dẫn loại N và bán 
dẫn loại P. Sau đó ghép chúng lại với nhau để tạo 
ra các linh kiện transistor hay diode
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dẫn điện
Cấu trúc nguyên tử của 
germanium ; silicon.
Vùng cấm
Wg
Wg
Chất bán dẫn và Diode
Khái niệm cơ bản về chất bán dẫn 
Chất bán dẫn và Diode
Bán dẫn pha tạp
Chất bán dẫn loại N
Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì 
một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho chỉ 
có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn 
lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N 
EF
EV
EC
EFi
Phân bố mức Fermi 
của bán dẫn loại N
e e e e e
h
Chú ý:
• Trong bán dẫn loại N thì nồng độ 
electron nhiều hơn nồng độ lỗ trống.
• Trong bán dẫn loại N, electron gọi 
là hạt tải đa số, còn lỗ trống gọi là 
hạt tải thiểu số.
Chất bán dẫn và Diode
Chất bán dẫn loại P
Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) hoặc 
Boron (B) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên 
kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và 
được gọi là chất bán dẫn P
EF
EV
EC
EFi
Phân bố mức Fermi 
của bán dẫn loại P
e
h h hhh
Bán dẫn pha tạp
Chú ý:
• Trong bán dẫn loại P thì nồng độ lỗ 
trống nhiều hơn nồng độ electron.
• Trong bán dẫn loại P, lỗ trống gọi 
là hạt tải đa số, còn electron gọi là 
hạt tải thiểu số.
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Trước khi tiếp xúc
Mỗi khối bán dẫn ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích dương cân bằng với 
tổng điện tích âm) và nồng độ tạp chất trong hai loại bán dẫn phân bố đều.
EF
EV
EC
EFi
EF
EV
EC
EFi
Loại N Loại P
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Sau khi tiếp xúc
Do chênh lệch nồng độ (pp>>pn ; nn>>np), sinh ra hiện tượng khuếch tán. Lỗ trống 
khuếch tán từ P sang N, còn điện tử (electron) sẽ khuếch tán từ N sang P dòng khuếch tán 
từ P sang N. Đồng thời, các hạt tải thiểu số của hai bán dẫn sẽ di chuyển qua lai lẫn nhau 
dòng trôi.
Chuyển tiếp P-N
P N
8
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Trạng thái cân bằng
8/2010 9
P N
Chuyển tiếp cách điện
Miền nghèo
Etx : Điện trường tiếp xúc
+-
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Trạng thái cân bằng
 Cực dương nối với cực P còn cực âm nối với cực N (UAK >0)
 Cực dương của nguồn điện áp ngoài sẽ đẩy lỗ trống phía bên P di 
chuyển sang bên N và ngược lại, cực âm của nguồn ngoài sẽ đẩy điện 
tử bên N di chuyển sang P làm kín mạch. 
 Kết quả là trong mạch có dòng điện chạy. Dòng điện này gọi là dòng 
điện thuận và có giá trị tăng theo hàm mũ với điện áp ngoài đặt vào 
10
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Phân cực thuận
11
P N
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Phân cực thuận
 Cực dương nguồn điện áp ngoài nối với N còn cực âm nối với P
 Cực âm nguồn sẽ hút lỗ trống phía bên P còn cực dương lại hút điện tử
của bên N.
 Kết quả là miền nghèo mở rộng hơn, không có dòng điện qua chuyển 
tiếp và không có dòng điện ở mạch ngoài.
12
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Phân cực nghịch
13
P N
Chất bán dẫn và Diode
Chuyển tiếp P-N
Phân cực nghịch
 Cấu tạo và ký hiệu
 Nguyên tắc làm việc của diode
 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode
 Phân loại và ứng dụng
14
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
 Diode bán dẫn là linh kiện điện tử gồm 1 chuyển tiếp P-N
 Cực nối với bán dẫn P gọi là cực Catot còn cực nối với bán dẫn N gọi là 
cực anot.
 Ký hiệu
15
A K
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Cấu tạo và ký hiệu
 Diode làm việc dựa trên tính chất dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P-N.
 Khi được phân cực thuận (UAK > 0): diode dẫn điện, trong mạch có dòng 
điện chạy qua. Khi này có thể coi diode như một khóa điện tử đóng (ngắn 
mạch) nếu UAK > UD
16
UAK < UD
UAK > UD
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Nguyên tắc hoạt động
 Diode làm việc dựa trên tính chất dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P-N.
 Khi phân cực ngược (UAK < 0): diode không dẫn điện, trong mạch chỉ có 
dòng điện ngược rất nhỏ chạy qua. Khi này có thể coi diode như một khóa 
điện tử mở (hở mạch).
17
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Nguyên tắc hoạt động
Phần thuận của đặc tuyến (UAK > 0)
 UD : điện áp ngưỡng của diode.
UD 0,3V (Ge) UD 0,7V (Si)
 Ithmax là dòng điện thuận cực đại cho phép của 
diode
 Điện áp ứng với giá trị Ithmax được gọi là Ubh, 
có giá trị 0,8V ( Ge), 1,2V (Si).
 Vùng phân cực thuận có đặc trưng là dòng lớn 
(mA), điện áp nhỏ và điện trở nhỏ
Phần ngược của đặc tuyến (UAK < 0)
 Dòng ngược bão hòa có giá trị rất nhỏ IS
cỡ nA
 Khi UAK = Udt (điện áp đánh thủng) thì 
dòng điện ngược tăng vọt, gọi là hiện 
tượng đánh thủng chuyển tiếp P - N
 Udt 12V đối với diode tách sóng và 
khoảng vài chục V tới 1kV với diode nắn 
điện.
UBR
UD 1V
UAK(V)
ID(mA)
Vïng ph©n 
cùc ngù¬c
Vïng ph©n 
cùc thuËn
18
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Đặc tuyến V-A:
 Diode chỉnh lưu
 Diode ổn áp (Zener)
 Diode biến dung (Varicap)
 Diode phát quang (LED), thu quang (Photo diode)
 Diode xuyên hầm (tunnel), cao tần, xung
19
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Phân loại
 Ký hiệu và hình dáng thực tế
 Cách xác định cực của diode: theo ký hiệu hoặc dùng Vôn kế.
 Ứng dụng
 Mạch chỉnh lưu
 Mạch hạn biên
 Mạch dịch mức
20
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Diode chỉnh lưu (nắn điện)
 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ
 Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ
21
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Mạch chỉnh lưu
 Mạch hạn biên trên
 Mạch hạn biên dưới
22
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Mạch hạn biên
Diode Zener có cấu tạo tương đối 
đặc biệt ở chỗ nó có nồng độ pha 
tạp chất rất cao, có vỏ bằng thủy 
tinh trong suốt và kích thước khá 
nhỏ.
23
 Diode Zener làm việc trên đoạn đặc tuyến ngược, lợi dụng chế độ đánh 
thủng về điện của chuyển tiếp P-N để ổn định điện áp. Nghĩa là khi bị 
phân cực ngược và làm việc trong vùng đánh thủng thì nó không bị 
hỏng như các diode khác.
 Điện áp đảnh thủng của diode Zener thường khá nhỏ (vài chục Vôn trở 
xuống) .
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Diode Zener
0246
20
40
60
80
100
120
140
Đoạn đặc tuyến ngược của diode Zene
Dòng điện
ngược(mA)
I
V
V
Điện áp sụt trên diode 
gần như không đổi
 Điện áp ổn định UZ
 Điện trở trong Ri
 Công suất định mức PZ, nó là công suất tiêu tán trên diode khi có dòng IZ
chảy qua
PZ = UZ . IZ
 Imin là trị số dòng điện nhỏ nhấ tại điểm mà hiện tượng đánh thủng ổn định
 Imax là trị số dòng điện cực đại qua diode được xác định bởi công suất tiêu 
tán cực đại diode (nếu I > Imax diode sẽ bị cháy)
25
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Một số tham số của diode zener
Diode biến dung (Varicap)
26
Giá trị điện dung của diode được tính bằng công thức:
Trong đó:
: hằng số điện môi của chất bán dẫn
S: diện tích mặt cắt ngang của chuyển tiếp P – N
dtx: bề dày của chuyển tiếp P-N
Giá trị của Cv thường rất nhỏ, khoảng từ 2pF đến 100pF. Để điều chỉnh giá trị này người 
ta thay đổi giá trị của dtx bằng cách điều khiển điện áp ngược đặt vào diode
tx
v
d
S
C
LED
Khi được phân cực thuận sẽ phát ra ánh sáng
27
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Diode phát quang (LED)
Power
supply
VS
RS
Photodiode được phân cực ngược và dẫn điện khi
có ánh sáng chiếu vào
Photodiode
28
Chất bán dẫn và Diode
DIODE
Diode thu quang (photodiode)
Chất bán dẫn và Diode
Phương pháp đo kiểm tra Diode
• Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo 
vào hai đầu Diode, nếu : 
• Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ 
vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim 
không lên là => Diode tốt 
• Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là 
Diode bị chập. 
• Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => 
là Diode bị đứt.