Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn

Chia sẻ: Năm Tháng Tĩnh Lặng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

165
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật điện tử chương 1 giới thiệu về bán dẫn. Chương này cung cấp cho người học các kiến thức về vật liệu bán dẫn, dòng điện trong chất bán dẫn, bán dẫn loại P và bán dẫn loại N, chuyển tiếp PN,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn

Chng 1 GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN Ví du vê nguyên t bán dn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có 4 electron ở lớp ngoài cùng. 1.1 Vật liệu bán dẫn - Dựa trên tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện Hạt nhân mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. - Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các một nửa liên electron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạo thành kết hóa trị electron tự do và đạt đến trạng thái bền vững. liên kết - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoài hóa trị cùng của nó để có trạng thái bền vững. - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững t m thi bằng cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng. Liên k#t hóa tr' trong tinh thê( - Các chất bán dẫn điển hình như Germanium (Ge), Silicium (Si),.. là bán dn Si những nguyên tô> thuộc nhóm 4 nằm trong bảng hêA thống tuần hoàn. 1.2 Dòng điện trong chất bán dẫn 1.2 Dòng điện trong chất bán dẫn - Trong vật liệu dẫn điện có rất nhiều electron tự do. Gi*n đô năng l.ng - Khi ở điều kiện môi trường, nếu được hấp thu một năng lượng nhiệt các electron này sẽ được giải phóng khỏi nguyên tử. Giản đồ vùng năng lượng của một số vật liệu. - Khi các electron này chuyển động có hướng sẽ sinh ra dòng điện. - Đối với vật liệu bán dẫn, các electron tự do cũng được sinh ra một cách tương tưA. - Tuy nhiên, năng lượng cần để giải phóng các electron này lớn hơn đối với vật liệu dẫn điện vì chúng bị ràng buộc bởi các liên kết hóa trị. - Năng lượng này phải đủ lớn để phá vỡ liên kết hóa trị giữa các nguyên tử. conduction band: vùng dẫn. Vùng dẫn là vùng năng lượng của các electron tự do. forbidden band: vùng cấm. Vùng mà không có electron nào mang năng lượng. valence band: vùng hóa trị. Vùng hóa trị là vùng của các electron nằm trong lớp vỏ ngoài cùng. 1
Nh0n xét 1.2.1 Lô5 tr6ng và dòng lô5 tr6ng - Số electron tự do trong vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và do đó - Vật liệu bán dẫn tồn tại một độ dẫn điện của vật liệu cũng vậy. dạng hạt dẫn khác ngoài electron tự do. - Nhiệt độ càng cao thì năng lượng của các electron càng lớn. - Một electron tự do xuất hiện thì - Vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm. đồng thời nó cũng sinh ra một lỗ trống (hole). - Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương. -Lỗ trống được qui ước là hạt dẫn mang điện tích dương. -Dòng di chuyển có hướng của lôY trống được gọi là dòng lỗ trống trong bán dẫn. -Khi lỗ trống di chuyển từ phải sang trái cũng đồng nghĩa với việc các electron lớp vỏ ngoài cùng di chuyển từ trái sang phải. 1.2.1 Lô5 tr6ng và dòng lô5 tr6ng 1.2.2 Dòng trôi - Có thể phân tích dòng điện trong bán dẫn thành hai dòng electron. - Khi một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu bán dẫn, điện trường sẽ làm cho các electron tự do di chuyển ngược chiều điện trường và các lỗ trống - Để tiện lợi ta thường xem như dòng điện trong bán dẫn là do dòng di chuyển cùng chiều điện trường. electron và dòng lỗ trống gây ra. - Cả hai sự di chuyển này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có chiều - Ta thường gọi electron tự do và lỗ trống là hạt dẫn vì chúng có khả năng cùng chiều điện trường được gọi là dòng trôi (drift current). chuyển động có hướng để sinh ra dòng điện. - Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di chuyển của hạt dẫn trong bán - Khi một electron tự do và lỗ trống kết hợp lại với nhau trong vùng hóa trị, dẫn, khả năng di chuyển được đánh giá bằng độ linh động của hạt dẫn. Độ các hạt dẫn bị mất đi, và ta gọi quá trình này là quá trình tái hợp hạt dẫn. linh động này phụ thuộc vào loại hạt dẫn cũng như loại vật liệu. - Việc phá vỡ một liên kết hóa trị sẽ tạo ra một electron tự do và một lỗ trống, do đó số lượng lỗ trống sẽ luôn bằng số lượng electron tự do. Bán Silicon Germanium dẫn này được gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn nội tại (intrinsic). µ n = 0.14 m 2 ( Vs ) µn = 0.38 m 2 ( Vs ) - Ta có: ni = pi µ p = 0.05 m2 ( Vs ) µ p = 0.18 m2 ( Vs ) ni: mật đôA electron (electron/cm3) pi: mật đôA lôY trống (lôY trống/cm3) 2
1.2.2 Dòng trôi Ví du 1-1 Một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu của một thanh bán dẫn thuần - Vận tốc của hạt dẫn trong điện trường E: trong hình veY. Giả sử : ni = 1.5 × 1010 là electron/cm3 Tìm: µ n = 0 .1 4 m 2 ( V s ) ; µ p = 0.05 m 2 ( Vs ) v n = E.µ n 1. Vận tốc electron tự do và lỗ trống; v p = E.µp 2. Mật độ dòng electron tự do và lỗ trống; 3. Mật độ dòng tổng cộng; - Mật độ dòng điện J: 4. Dòng tổng cộng trong thanh bán dẫn. J = J n + J p = nqn µ n E + pq p µ p E = nqn vn + pq p v p Với: J mật độ dòng điện, (A/m2) , E cường đôA điện trường(V/m) n, p mật độ electron tự do và lỗ trống, (hạt dẫn/m3) qn , q p = đơn vị điện tích electron = 1.6 × 10 −19 C µn , µ p = độ linh động của electron tự do và lỗ trống (m2/Vs) vn , v p = vận tốc electron tự do và lỗ trống, (m/s) Hướng dẫn M lu ý 1. Ta có: - Điện trở có thể được tính bằng cách dùng công thức: E = U / d = 2.103 V / m v n = E.µn = 2.8 x 10 m / s 2 l v p = E.µp = 10 2 m / s R=ρ S 2. Vì vật liệu là thuần nên: - Điện dẫn, đơn vị siemens (S), được định nghĩa là nghịch đảo của điện trở, và điện dẫn suất, đơn vị S/m, là nghịch đảo của điện trở suất: pi = ni = 1.5×1010( / cm 3 ) = 1.5 ×1010 / 10 −6 (/ m 3 ) J n = ni .qn .vn = 0.672 A / m 2 1 σ= J p = pi .q p .v p = 0.24 A / m 2 ρ 3. J = Jn + Jp = 0.672 + 0.24 = 0.912 A / m2 - Điện dẫn suất của vật liệu bán dẫn có thể được tính theo công thức: 4. Tiết diện ngang của thanh là : ( 20 × 10 −3 m )( 20 × 10 −3 m ) = 4 × 10 −4 m 2 σ = nqn µ n + pq p µ p Dòng điện: I = J.S = (0.912 A / m2 ).( 4 x 10 −4 m2 ) = 0.365 mA 3
Ví du 1-2 1.2.3 Dòng khu#ch tán 1. Tính điện dẫn suất và điện trở suất của thanh bán dẫn trong ví dụ 1-1. - Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt dẫn thì các hạt dẫn 2. Dùng kết quả của câu 1 để tìm dòng trong thanh bán dẫn khi điện áp sẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi có trên hai đầu của thanh là . mật độ hạt dẫn thấp hơn nhằm cân bằng mật độ hạt dẫn. HAng dn - Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn. Dòng 1. Vì bán dẫn thuần nên: điện này được gọi là dòng khuếch tán (diffusion current). n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /cm3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C - Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn) trừ khi sự σ = n qn µ n + p qp µ p chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn. σ = 4 . 56 x 10 − 4 S / m 1 ρ= = 2192 . 98 Ω m σ 2. l R = ρ = 32 . 98 K Ω S U I= = 0 . 365 mA R 1.2.3 Dòng khu#ch tán 1.3 Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N Bán dẫn thuần (Bán dẫn loại i): Mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ trống: ni=pi ni: mật độ điện tử tự do (electron/cm3) pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3) Điện tử tự do có điện tích là: –q Lỗ trống có điện tích là: +q Điện tử tự do và lỗ trống là hạt dẫn tạo ra dòng điện khi chuyển động có hướng. 4
Cách thCc t o ra bán dn lo i N Tính chDt cHa bán dn lo i N Khi toàn bộ các nguyên tử tạp chất được ion hóa: nd=Nd CDu trúc tinh thF nd: nồng độ điện tử tự do được cung cấp bởi tạp chất donor bán dn chCa m>pnnn≈Nd Bán dẫn loại N=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm 5 nn.pn=ni2 ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần Ví dụ: Si+phosphore, Ge+Asenic Tạp chất này cung cấp điện tử tạp chất cho (tạp chất donor) Nhận xét: trong bán dẫn loại N thì hạt dẫn đa số là điện tử, hạt dẫn thiểu số là lỗ trống. Cách thCc t o ra bán dn lo i P Tính chDt cHa bán dn lo i P Khi toàn bộ các nguyên tử tạp chất được ion hóa: pa=Na CDu trúc tinh thF bán dn có chCa pa: nồng độ lỗ trống được cung cấp bởi tạp chất acceptor m>nppp≈Na Bán dẫn loại P=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm 3 np.pp=ni2 Ví dụ: Si+Bore, Ge+Indium ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần Tạp chất này nhận điện tử tạp chất nhận (tạp chất acceptor) Nhận xét: trong bán dẫn loại P thì hạt dẫn đa số là lỗ trống, hạt dẫn thiểu số là điện tử. 5
Nh0n xét Ví du 1-3 Một thanh silicon có mật độ electron trong bán dẫn thuần là 1.4 × 10 16 - Trong bán dẫn loại N, electron tự do là hạt dẫn đa số (hoặc hạt dẫn chủ yếu), lỗ trống là hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫn electron/m3 bị kích thích bởi các nguyên tử tạp chất cho đến khi mật độ lỗ trống là 8.5 × 10 21 lỗ trống/m3. Độ linh động của electron và lỗ trống là thứ yếu). 2 ( ) µn = 0.14 m Vs và µ p = 0.05 m ( Vs ) . 2 - Trong bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt dẫn đa số (hoặc hạt 1. Tìm mật độ electron trong bán dẫn đã pha tạp chất. dẫn chủ yếu), electron tự do là hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt 2. Bán dẫn là loại N hay loại P? dẫn thứ yếu). 3. Tìm độ dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất. Hướng dẫn - Trong hầu hết các bán dẫn trong thực tế thì: ni2 (1.4 × 10 ) 2 1. 16 n= = = 2.3 × 1010 electron/m 3 np = n i 2 p 8.5 × 10 21 2. Vì p > n nên vật liệu là loại P. Với: n: mật đô electron p: mật đô lô trống 3. σ = nµnqn + pµ pqp ni: mật đô electron trong bán dẫn thuần. = ( 2.3×1010 ) ( 0.14) (1.6 ×10−19 ) + (8.5×1021 ) ( 0.05) (1.6 ×10−19 ) = 5.152 ×10−10 + 68 ≈ 68 S/m 1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN h h h - + e e e A A A D D D h h h - + e e e A A A - + D D D h h h e e - + e A A A D D D - + Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N 6
1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN - Hiệu điện thế tồn tại ở hai bên chuyển tiếp được gọi là hiệu điện thế hàng rào (barrier). kT  N a N d  Vtx = V0 = Vγ = ln  q  ni2  -Với: k: hằng sô> Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K T: nhiệt đôA tuyệt đối K q: đơn vị điện tích = 1.6 x 10-19 C Na: nồng đôA tạp chất acceptor trong bán dẫn loại P Nd: nồng đôA tạp chất donor trong bán dẫn loại N ni: mật đôA hạt dẫn trong bán dẫn thuần. - Để thể hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thế vào nhiệt độ, người ta đưa ra khái niệm điện thế nhiệt: kT N N  VT = ⇒ Vtx = V0 = Vγ = VT ln a 2 d  q  ni  Ví du 1-4 1.5 Phân cực chuyển tiếp PN Một chuyển tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022 acceptor/m3 và bán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm điện thế nhiệt và điện thế hàng rào tại 25°C. Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3. Hướng dẫn kT Áp dụng: VT = q với: T = 25 + 273 = 298°K k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10 -19C VT = 25.7 mV Điện thêh hàng rào:  N .N  V0 = VT . ln a 2 d   ni  V0= 0.635 V 7
1.5 Phân cực chuyển tiếp PN ĐTc tuy#n Volt-Ampe V Quan hI dòng – áp trong chuyFn ti#p PN dAi phân cRc thu0n và phân cRc ng.c. 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng: nhiệt và điện. - Đánh thủng vê} nhiệt xảy ra do sưA tích lũy nhiệt trong vùng nghèo hạt dẫn. (Dòng IS tăng gấp đôi khi nhiệt đôA tăng 10°C) - Đánh thủng vê} điện được phân làm 2 loại: đánh thủng thác lui (avalanching) và đánh thủng xuyên hầm (tunnel) - Biên độ của dòng ngược khi V≈VBR (breakdown voltage) có thể được tính bằng biểu thức sau: IS I= n  V  1 −    VBR  Quan hệ của diode cho thấy sự gia tăng đột ngột với n là hằng số được xác định từ thực nghiệm. của dòng khi áp gần đến điện áp đánh thủng. 8
1.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phân cực Ví du 1-5 Một diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA ở 20°C . Tìm dòng điện qua nó khi được phân cực thuận ở 0,55V. Tìm dòng trong diode khi nhiệt độ tăng lên đến 100 °C. Hướng dẫn Ở T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V V > 0.5V ⇒ m = 1 (diode silicon) ⇒ I = 0.283 mA Ở T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng Is được nhân đôi 8 lần, do đó Is tại 100oC lớn gấp 256 lần Is tại 20oC: I = 256 ×10 −13 ( e0.55 0.03217 − 1) = 0.681 mA Sự gia tăng của nhiệt độ làm cho đặc tuyến dịch sang trái. 9