ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE

PHÁ V Ở PHÂN CỰ C NGƯỢC (REVERSE BREAKDOWN)

8.2.6. ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE

8.2.6.1.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC THUẬN (FORWARD BIAS):

HÌNH H8.24:

a./ Điện áp phân cực thuận thấp VF < 0,7 V b./ Điện áp phân cực thuận đạt đến và duy trì VF = 0,7 V dòng điện phân cực thuận rất bé. Dòng điện phân cực tiếp tục gia tăng khi áp phân cực VBIAS gia tăng.

HÌNH H8.25

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

Đặc tuyến Volt Ampere là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode. Thực hiện mạch thí nghiệm theo hình H8.25 để xác định đặc tuyến Volt Ampere cho diode lúc phân cực thuận, gọi:

VF: điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận.

VBIAS: điện áp phân cực cấp vào mạch diode.

IF: dòng điện qua diode lúc phân cực thuận.

Kết quả thí nghiệm ghi nhận như sau:

 Khi VF  0 V không có dòng qua diode IF  0 A. Khi gia tăng điện áp ngoài phân cực VBIAS điện áp VF gia tăng và dòng phân cực thuận IF gia tăng dần.

 Khi điện áp VBIAS đến mức để điện áp VF  0,7 V, xấp xỉ bằng điện thế rào cản đặt ngang qua vùng nghèo của mối nối pn, dòng điện IF gia tăng nhanh.

 Khi tiếp thục gia tăng điện áp VBIAS , dòng điện IF càng gia tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7 V.

8.2.6.2.ĐIỆN TRỞ ĐỘNG (DYNAMIC RESISTANCE):

Khi mở rộng (hay khuếch đại) đặc tuyến Volt Ampere của diode lúc phân cực thuận như trong hình H8.26 b, điện trở động của diode được định nghĩa như sau:

F d

F

r ' V I

 

 (8.2)

Điện trở động lúc phân cực thuận diode không là hằng số và có giá trị thay đổi dọc theo đặc tuyến. Điện trở động còn được gọi là điện trở AC. Chú ý theo lý thuyết của linh kiện bán dẫn các điện trở nội bên trong các linh kiện điện tử được ký hiệu bằng các ký tự thường như là r thay vì dùng ký hiệu R. Giá trị điện trở động bắt đầu giảm trong vùng khuỷu (knee) của đặc tuyến và có giá trị nhõ hơn trên vùng cao hơn điểm khuỷu.

IF



IF



VF

 VF

a./ Đặc tuyến Volt Ampere lúc b./ Mở rộng đặc tuyến trong hình a . Điện trở động r’d giảm phân cực thuận diode. dần giá trị khi điểm làm việc di chuyển lên phía trên HÌNH H8.26: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực thuận của diode

8.2.6.3.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC NGHỊCH (REVERSE BIAS):

 Khi cấp điện áp ngoài phân cực nghịch ngang qua hai đầu diode, ta chỉ nhận được dòng điện ngược IR có giá trị rất nhỏ đi ngang qua mối nối pn. Với điện áp ngang qua diode là 0V sẽ

không tạo thành dòng điện ngược IR 0 A .

 Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, ta nhận được dòng điện ngược rất bé và điện áp ngược VR đặt ngang qua hai đầu diode.

 Khi điện áp phân cực nghịch gia tăng đến mức cao hơn, áp ngược VR đặt trên hai đầu diode đạt đến mức bằng áp phá vở phân cực nghịch VBR dòng điện ngược gia tăng rất nhanh.

 Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực ngược, dòng điện tiếp tục gia tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode chỉ hơi gia tăng so với giá trị VBR. Trạng thái phá vở với các trường hợp ngoại lệ không là trạng thái làm việc bình thường của hầu hết các mối nối bán dẫn pn.

Đặc tuyến volt Ampere của diode lúc phân cực nghịch trình bày trong hình H8.27 8.2.6.4. ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE:

Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp của diode cho các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch trình bày trong hình H8.28.

Cần chú ý thang đo dòng IFtính theo [mA] ; trong khi thang đo của dũng IRItớnh theo [àA].

ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ

Khi nhiệt độ gia tăng, trên đặc tuyến phân cực thuận dòng IF gia tăng khi xét tại điện ápVF định trước. Ngược lại tươg ứng với giá trị dòng phân cực thuận IF chọn trước áp phân cực thuận VF giảm.

Điện thế rào cản giảm thấp giá trị khi nhiệt độ gia tăng.

Với đặc tuyến phân cực nghịch khi nhiệt độ gia tăng dòng phân cực nghịch IR gia tăng.

Sự khác biệt giữa các đặc tuyến Volt Ampere vẽ tại 25oC và tại nhiệt độ cao hơn trình bày trong hình H8.28.

Điều quan trọng cần nhớ, dòng phân cực nghịch trước khi xãy ra hiện tượng phá vở phân cực nghịch (breakdown) có giá trị rất thấp không đáng kể có thể bỏ qua.

HÌNH H8.27: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực nghịch của diode

HÌNH H8.28: Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch của diode

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 8.2.6.5. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE THEO SCHOCKLEY:

Theo lý thuyết Vật Liệu Bán Dẫn, áp dụng hàm xác suất theo Fermi-Dirac để tiên đoán sự trung hòa điện tích ta có được phương trình tỉnh (không thay đổi theo thời gian) của dòng điện qua mối nối pn của diode xác định theo William Bradford Schockley:

  

   

D T

v .V

D o

i I . e 1 (8.3)

Trong đó:

T

V kT

 q [V] , với hằng số Boltzmann k = 1,38.10-23 [J/oK] và T [oK] là nhiệt độ tuyệt đối tại mối nối pn của diode .

iD [A] : dòng tức thời qua diode.

vD [V] : điện áp tức thời đặt ngang qua hai đầu diode.

q [C] : điện tích của electron (âm điện tử); q = 1,6.10-19 C.

 : hằng số tới hạn (  = 1 cho Ge và  = 2 cho Si ) Io [A] : dòng điện bảo hòa tại trạng thái phân cực nghịch.

THÍ DỤ 8.1:

Tại nhiệt độ môi trường 27oC xác định giá trị áp VT trong quan hệ (8.3).

GIẢI

Ta có nhiệt độ tuyệt đối ứng với 27oC xác định theo quan hệ:

    

o  o 

T K 273 C (8.4)

Nên:

T = 273 + 27 = 300oK Suy ra:

T kT 1,38.10 .3002319  4 

V 258,75.10 V

q 1,6.10 Như vậy:

VT = 25,875 mV

Với diode loại Si ta suy ra quan hệ sau”

D D

D T

v v

19,3237.v .V  2.0,025875 



Phương trình đặc tuyến Volt Ampere của diode Si tại nhiệt độ 27oC được viết lại như sau:

 

 19,3237.vD 

D o

i I . e 1 (8.5)

Vì e19,3237.vD 1 ta viết lại dạng gần đúng cho quan hệ (8.5) như sau:

 

 19,3237.vD

D o

i I . e (8.6)

Tương tự quan hệ (8.3) được viết lại theo dạng gần đúng như sau:

 

 

 



D T

v .V

D o

i I .e (8.7)

Từ quan hệ (8.2) định nghĩa cho điện trở động của diode, dựa vào quan hệ (8.7) ta suy ra biểu thức xác định điện trở động của diode lúc phân cực thuận theo quan hệ sau:

D D

D

r ' dv

 di (8.8)

Viết lại quan hệ (8.7) theo dạng sau:

    

 

D

D T

o

v .V .Ln. i

I (8.9)

Suy ra:

 D   T

D

D D

dv .V

r ' di i (8.10)

Tại nhiệt độ môi trường 27oC (tương ứng 300oK) quan hệ (8.10) được viết lại như sau:

 

D

D

.0,0258

r ' i (8.11)

Với diode thuôc loại Ge hằng số tới hạn  = 1 , điện trở động của diode Ge tại nhiệt độ 27oC được xác định theo quan hệ:

D Ge 

D

0,026

r ' i (8.12)

Tương tự với diode thuôc loại Si hằng số tới hạn  = 2 , điện trở động của diode Si tại nhiệt độ 27oC được xác định theo quan hệ:

D Si 

D

0,052

r ' i (8.13)