Đ iố t tách sóng cao tần - CÂC LOẠI ĐIỐT BẢN DẪ- 123docz.net

CÂC LOẠI ĐIỐT BẢN DẪN

2.6. Đ iố t tách sóng cao tần

Điốt tách sóng cao tần được dùng để tách sóng (chỉnh lưu dòng cao tần), điều chế, biến đổi tần số. Người ta dùng điốt điểm để làm điốt cao tần, diện tích lớp tiếp giáp p - n nhỏ, điện dung lớp tiếp giáp không vượt quá 1 pF nên dải tần số làm việc có thể tới hàng trăm MHz.

Điốt điểm được chế tạo từ một dây voníram gắn vào đơn tinh thể bán dẫn Ge loại n.

Chỗ bán dẫn tiếp giáp với đầu kim vonửam hình thành miền bán dẫn loại p. Lớp tiếp giáp p - n được hình thành trong điốt điểm có diện tích nhỏ, dòng thuận qua điốt cũng nhỏ, công suất của điốt cao tần nhỏ rất nhiều so với điốt chỉnh lưu.

Sơ đồ tương đương của điốt và sơ đồ mắc mạch tách sóng tín hiệu cao tần điều chế biên độ được vẽ ở hình 2.9.

Typ

Hinh 2.9 : Sơ đổ tương đương của điốt và mạch tách sóng biên độ.

Tín hiệu cao tần được đưa vào mạch tách sóng qua tụ điện Cj. Tín hiệu âm tần được lấy ở lối ra của mạch trên điện trở R. Tụ điện C2 dùng làm tụ lọc loại bỏ tần số sóng mang cao tần.

Khi điốt được dùng để tách sóng thì ở nửa chu kỳ dưcmg của tín hiệu cao tần điốt được phân cực thuận dòng qua điốt. Điện trở vi phân của điốt chính là điện trở lớp tiếp giáp p - n phân cực thuận, rất nhỏ nên = r.

Nửa chu kỳ âm điốt được phân cực theo chiều ngược. Điện trở lóp tiếp giáp p - n theo chiều phân cực ngược điện trở này rất lớn so với dung kháng ta có thể bỏ qua, nên trở kháng của điốt khi phân cực thuận là :

I-ngD = r + V Ì ^ Cd

Các thông sô'đặc trưỉìg của điốt tách sóng : Điện áp thuận của điốt U(|,.

Dòng điện ngược của điốtl^g.

Điện trở vi phõn ợyf.

Tần số giới hạn .

Dòng thuận cực đại Ijj, . Điện áp ngược cực đạiUng

ứ n g dụng : Điốt loại này dùng để tách sóng âm thanh trong Radio, TV.

2 .7 . Đ iố t S h o ttky

Điốt Shottky được dùng rộng rãi trong các sơ đồ tách sóng và trộn sóng ở dải siêu cao tần. Đ ể tạo nên điốt Shottky ngưòi ta sử dụng tiếp xúc kim loại - bán dẫn. Lý thuyết này được nhà khoa học Đức Shottky tìm ra.

Ta hãy nghiên cứu giản đồ năng lượng của tiếp xúc kim loại - bán dẫn n.

K im loại

Bán dẫn n

Ị V.

q v

W77////// a

Hình 2.10 : Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp kim loại - bán dẫn.

Khi tiếp xik' :

Giữa kim loại và bán dẫn có hàng rào thếq)|<;. Kim loại có công thoát nhiệt lớn hoìi bán dẫn :

Am >

Như vậy dòng điện tử từ bán dẫn sang kim loại jn ở thời điểm ban đầu lớn hơn dòng e từ kim loại sang bán dẫn Vì vậy kim loại tích (-), bán dẫn loại n tích (+). Phân cực này làm cho mức Ep bên kim loại nâng lên, Ep bên bán dẫn hạ xuống. Đến khi dòng jn và jiyỊ cân bằng nhau mức Fecmi trong kim loại và bán dẫn trùng nhau (hình2.10b).

Hiệu thế tiếp xúc được xác định :

ở chỗ tiếp xúc kim loại - bán dẫn đường qcpi^ có 1 đoạn cong giảm dần. ở đó mật độ điện tử ô bể mặt bán đẫn giảm dần và điện trở của nó tăng lên. Lórp có điện trở cao như vậy được gọi là lớp “hãm”. Chiều rộng d của lóp này được tính toán như trong trưòíng hợp chuyển tiếp p - n không đối xứiig.

Đ ể xác định đặc trưng V - A của chuyển tiếp này ta hãy nghiên cứu quy luật dòng điện tử từ kim loại sang bán dẫn và dòng từ bán dẫn sang kim loại.

Phán cực thuận : Mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử từ kim loại ra chân không được xác định từ công thức Richadson:

A = 47ĩqm * k

: Hằng số Richadson

(2 -9 )

Khi xét 1 tiếp xúc đặc biệt kim loại - bán dẫn như hình vẽ trên ta thấy : để điện tử đi từ kim loại sang bán dẫn cần vượt qua hàng rào thế qọ§ vì vậy tưoìig tự (2-9).

ÌM = AT exp •qỌ5 kT Từ hình (2-1 Oa) dễ dàng xác định :

q9s = Am - Xn Trong trạng thái cân bằng jj^ = jj, suy ra :

(2-10)

(2- 11)

= AT exp -q98 kT Khi đặt điện áp ngoài V vào :

Vì tất cả điện thế ngoài sụt trên lớp điện trở lớn của bán dẫn. Bên kim loại hàng rào thế làcpg, jjyj không phụ thuộc thế này, chỉ có :

-q(<Pô -V)'

kT (2-12)

Trong trường hợp này có dòng j = thay vào (ib.h = ibão hoà):

j - ib.h exp kT -1 (2-13)

Khi phân cực ngược : Mức Ec của bán dẫn có thể thấp hơn Ep của kim loại. Lúc đó e từ kim loại có thể chui tunel qua hàng rào thế sang vùng dẫn của bán dẫn. Vì vậy dòng ngược qua lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn (có đ nhỏ) có j(3 Ị, lớn và tăng cùng với sự tăng . Hiện nay có nhiều lý thuyết tính tỷ mỉ jị, h. Tuy nhiên chúng sai khác nhau rất ít.

ư u việt của điốt Schottky là sự làm việc của chúng dựa trên dòng dịch chuyển của các hạt tải cơ bản. Khi phân cực thuận các e từ bên bán đẫn có năng lượng cao qcpg chuyển sang kim loại có mức năng lượng thấp, chúng sẽ nhanh chóng (10 ’^sec) mất năng lượng của mình do va chạm và không thể quay lại bán đẫn được nữa. Như vậy trong điốt Schottky

không có hiện tượng tích tụ điện tích của các hạt tải không cơ bản như ở chuyển tiếp p - n.

Vì vậy chúng là những điốt làm việc rất tốt với những xung tác dụng nhanh, ứng với dải siêụ cao tần. Điốt hoặc transistor Schottky dùng để chế tạo các IC số MOS và CMOS.

2 .8. Đ ỉố t Tunel

Điốt Tunel còn có tên gọi là điốt Exaky. Điốt Tunel là dụng cụ bán dẫn có đặc trưng von - ampe được nêu trên hình 2.11.

Ef Ec Ev

d ) U 2 > U > U i

1t = 0

e) u = Uz

Ec Ev Ef

ì EEcf

f ) U = U 3

Ik t

g ) u < 0

Hlnh 2.11 ; Đặc tamg V - A và giản đồ năng lượng của điốt Tunel.

Đưcmg đặc trưng này có một đoạn diện trỏ ám (c d c). doạn ứng với điện áp đặt vào điôì tăng nhưng dòng qua điốt lại giảm. Níiuvcn tắc hoạt dộng cúa nó dựa trên hiệu ứng tunel (hiệu ứng đường hầm). Các hạt lái diện có nãnu lượng toàn phán thấp hơn chiều cao của h à n g rào th ế năng củ a lớp tiếp giáp p n nhưníỉ nó cũn g có ihc vưcTl q u a h à n g rào th ế năng bằng cách chui qua hàng rào thế năng theo hiệu ứng Tuncl mà khống cần cung cấp thêm năng lưcmg cho nó. Để có hiệu ứng timcl thì phải thoả mãn hai điéu kiện sau đáy :

Chiều dày lớp tiếp giáp p - n phải hẹp cỡ 10 ^’cm.

Bán dẫn phải có mật độ tạp chất cao nồnR độ lạp chất cỡ lo''^ hạt/cm". Bán dẫn có mật độ tạp chấl cao được gọi là bán dẫn suv biến. Khi đó :

+ Mức nãng lượng Fecmi E|; cùa bán dẩn p nằm dưới đỉnh mién hoá trị.

+ Mức năng lượng Fecmi Ep của bán dẫn n nằm trên đáy vùng dản.

Khi tạo thành lóp tiếp giáp p - n SC xảy ra sự dich chuyên các \'ùng năng lượng của các chất bán dẫn khác nhau sao cho Ep của p và n ngang nhau.

Đặc trưng von - ampe của điốt Tuncl và giản dồ năng lượns của điốt Tunel được irình bày ở hình 2.11

Phàn cực tlìiiậ n :

- Khi u = 0 :

Sô điện lử lừ bán dẫn loại p sang bán dẩn loại n báng sô diện tử lừ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Dòng Tunel bằng không. 11- = 0,

- K h i O < U < U | :

Điốt được mắc với nguồn điện bên iiRoài theo chiều thuận. Micn p nối cực dương (+), miền n nối cực âm của nguồn điện (-). Các mức năng lượng trong miền p hạ thấp, các mức năng lượng trong miền n nâng lên. Những điện lử ứ mức năng lượng cao dưới Ep trong vùng dẫn ở miền n chui qua Tunel từ n sang p vùng hoá trị còn trống dưới mức Ep sẽ nhiều hơn số điện tử từ p sang n. Dòng Tunel Ij xuất hiện theo chiều từ p sang n, dòng Ij tăng dần theo u . Vì phần đối điện cho phép chui sang tăng lên.

- K h i U = U, :

Điện thế thuận ư tăng đến mức U| mức Ep trong miền n trùng với mức E^, trong miền hoá trị bán dần p. Dòng Ij niax' <^òng Tunel đạt giá trị cực đại vì phần đối diện giữa các mức nãng lượng của điện tử trong vùng dẫn của bán dẫn n và các mức tự do trong vùng hoá trị của bán dẫn p (các mức này nằm trên mức Ep của bán dẩn p) là cực đại.

- K h i U > U i :

Tiếp tục tăng điện thế thuận u một số mức năng lượng của điện tử dẫn trong vùng dẫn của bán dẫn n nằm đối diện với vùng cấm của bán dẫn p. Các mức này không thể chuyển sang vùng cấm của bán dẫn loại p được. Dòng Tunel Ij giảm.

- Khi u = U2 mức năng lượng trong bán dẫn n bằng mức năng lượng Ey trong bán dẫn p, dòng Tunel ngừng cùng với việc tăng thế thuận u. Dòng khuếch tán qua lớp tiếp giáp tăng.

- Khi u = U3 sự phân bố giản đồ năng lượng như điốt thường, dòng khuếch tán tăng theo hàm e mũ như điốt chỉnh lưu thường.

Phân cực ngược :

Khi điốt mắc vào nguồn điện bên ngoài theo chiều phân cực ngược, điện áp u < 0. Mức năng lượng Fecmi Ep trong bán dẫn n hạ thấp hơn so với mức Fecmi Ep trong bán dẫn loại p các điện tử trong miền hoá trị của bán dẫn loại p chui qua đường hầm của lóp tiếp giáp sang vùng bán dẫn loại n. Do đó xuất hiện dòng ngược đáng kể. Dòng ngược càng lớn khi điện áp ngược càng tăng.

Khi mật độ tạp chất ở điốt Tunel giảm thì đoạn điện trở âm trên đặc trưng V - A cũng ít đi. ảnh hưởng của mật độ tạp chất lên đặc trưng V - A của điốt Tunel cho trên hình 2.12.

Nmax ~ 10^^cm“'^ đoạn điện trở âm rõ rệt nhất. Còn khi giảm N < đến N^ii^đoạn điện trở âm không còn nữa. Điốt có đặc trưng chỉnh lưu thông thường.

Hlnh 2.12 : Ảnh hưởng của mật độ tạp chất lên đặc trưng V - A của điốt Tunel.

Các thông s ố cơ bản của điốt Tunel.

I tại điểm cực đại của đặc trưng von - ampe : Ij I tại điểm cực tiểu của đặc trưng von - ampe : I2 Uth max: (0 ,3 5 ^ 0 ,5 ) V .

Sơ đồ lương đươĩìg của diốt Tuncl và cách mác điốt Tuncl đỏ khuếch đại được vẽ ở hình 2.13

Cvo -r-

^ D - n - I —

^bán dẫn

Hình 2.13 ; Sơ đồ tương đương và cách mắc điốt Tunel để khuếch đại.

Điốt Tunel được dùng để khuếch đại, phát sóng siêu cao tần. Khi dùng người ta dùng vùng đặc trưng von ~ ampc có điện trớ âm. Vùng điện áp làm việc của điốt Tunel hẹp (0,15 -r 0 ,3)V , điện áp đặt vào điốt cần phái ổn định.

Dải tần (10*^ H- l o ’^) Hz có thế đến 1(X) C)1 Iz. Người la chế lạo diốt Tunel từ Ge, GaAs.

Cách mắc điốt Tunel đế khuếch đại tín hiệu cao tần, siêu cao lần được vẽ ở hình 2.13 Chiết áp được dùng để điều chinh diện áp một chicii ban đầu nàm trong doạn tương ứng với điện irớ vi phân âm của đặc irimg von ampi' tiia điổl. Tín hiệu cần khuếch đại E dược đưa vào lối vào của mạch khuếch đại qua tụ C|. Tín hiệu dược lấy ra ớ iối ra của mạch khuếch đại qua tụ điện C2. Các tụ điện C|. C-,, C3 có diện dung đủ l(Jn (cỡ vài chục pF) đủ để thực hiện đoản mạch đối với tần số siêu cao.

Phần điện trở âm của đặc trưng V - A còn có thể dùng đe phát thông số (Parameter) như hình 2.14; Máy phái này có ưu điểm : f cao, nhỏ gọn. I lứn, nguồn nuôi thấp, tạp âm nhỏ, nhiệt độ làm việc rộng.

ọ +E

Vs.cao

Hình 2.14 : Máy phát thông số.