Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Lý Chí Thông

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

0
133
lượt xem
22
download

Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Lý Chí Thông

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về chất bán dẫn, trình bày những nội dung chính: vật liệu bán dẫn, dòng điện trong bán dẫn, giản đồ năng lượng, lỗ trống và dòng lỗ trống, dòng khuếch tán, bán dẫn loại N, bán dẫn loại P, chuyển tiếp PN, phân cực thuận chuyển tiếp PN, phân cực ngược chuyển tiếp PN,... Đây là tài liệu học tập và tham khảo cho sinh viên ngành Điện.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Lý Chí Thông

  1. 12-Sep-10 GI I THI U MÔN H C Tên môn h c : K THU T I N T Phân ph i gi : 45 ti t S tín ch : 2 – Ki m tra: 20%; Thi: 80% (tr c nghi m) Giáo trình: -Lê Phi Y n, Lưu Phú, Nguy n Như Anh - K thu t i n t NXB i H c Qu c Gia TP.HCM Tài li u tham kh o: -Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits 2nd Ed. , Macmillan 1991 1 GI NG VIÊN Lê Chí Thông Bộ môn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử Đại học Bách Khoa TP.HCM ĐT: 0902-445-012 Email: chithong@gmail.com chithong@hcmut.edu.vn Website: sites.google.com/site/thongchile tinyurl.com/thongchile 2 1
  2. 12-Sep-10 Chương 1 GI I THI U V CH T BÁN D N 1.1 V t li u bán d n - D a trên tính d n đi n, v t li u bán d n không ph i là v t li u cách đi n mà cũng không ph i là v t li u d n đi n t t. - Đ i v i v t li u d n đi n, l p v ngoài cùng c a nguyên t có r t ít các electron, nó có khuynh hư ng gi i phóng các electron này đ t o thành electron t do và đ t đ n tr ng thái b n v ng. 3 1.1 V t li u bán d n - V t li u cách đi n l i có khuynh hư ng gi l i các electron l p ngoài cùng c a nó đ có tr ng thái b n v ng. - V t li u bán d n, nó có khuynh hư ng đ t đ n tr ng thái b n v ng t m th i b ng cách l p đ y l p con c a l p v ngoài cùng. - Các ch t bán d n đi n hình như Gecmanium (Ge), Silicium (Si),.. là nh ng nguyên t thu c nhóm 4 n m trong b ng h th ng tu n hoàn. 4 2
  3. 12-Sep-10 Ví d v nguyên t bán d n Silicon (Si) Nguyên t bán d n Si, có 4 electron l p ngoài cùng. H t nhân m t n a liên k t hóa tr liên k t hóa tr Liên k t hóa tr trong tinh th bán d n Si 5 1.2 Dòng i n trong bán d n - Trong v t li u d n đi n có r t nhi u electron t do. - Khi đi u ki n môi trư ng, n u đư c h p thu m t năng lư ng nhi t các electron này s đư c gi i phóng kh i nguyên t . - Khi các electron này chuy n đ ng có hư ng s sinh ra dòng đi n. - Đ i v i v t li u bán d n, các electron t do cũng đư c sinh ra m t cách tương t . 6 3
  4. 12-Sep-10 1.2 Dòng i n trong bán d n - Tuy nhiên, năng lư ng c n đ gi i phóng các electron này l n hơn đ i v i v t li u d n đi n vì chúng b ràng bu c b i các liên k t hóa tr . - Năng lư ng này ph i đ l n đ phá v liên k t hóa tr gi a các nguyên t . - Thuy t lư ng t cho phép ta nhìn mô hình nguyên t d a trên năng lư ng c a nó, thư ng đư c bi u di n dư i d ng gi n đ năng lư ng. 7 Gi n năng lư ng - Đơn v năng lư ng qui ư c trong các gi n đ này là electronvolt (eV). - M t electron khi mu n tr thành m t electron t do ph i h p thu đ m t lư ng năng lư ng xác đ nh. - Năng lư ng này ph thu c vào d ng nguyên t và l p mà electron này đang chi m. - Các electron trong l p v ngoài cùng ch c n nh n thêm m t lư ng năng lư ng tương đ i nh là đ đ gi i phóng chúng. 8 4
  5. 12-Sep-10 Gi n năng lư ng - Các electron các l p bên trong c n ph i nh n m t lư ng năng lư ng r t l n m i có th tr thành electron t do. - Các electron cũng có th di chuy n t l p bên trong đ n l p bên ngoài trong nguyên t b ng cách nh n thêm m t lư ng năng lư ng b ng v i chênh l ch năng lư ng gi a hai l p. - Ngư c l i, các electron cũng có th m t năng lư ng và tr l i v i các l p có m c năng lư ng th p hơn. - Các electron t do cũng v y, chúng có th gi i phóng năng lư ng và tr l i l p v ngoài cùng c a nguyên t . 9 Gi n năng lư ng Gi n vùng năng lư ng c a m t s v t li u. 10 5
  6. 12-Sep-10 Gi n năng lư ng - Khi nhìn trên m t nguyên t , các electron trong nguyên t s đư c s p x p vào các m c năng lư ng r i r c nhau tùy thu c vào l p và l p con mà electron này chi m. Các m c năng lư ng này gi ng nhau cho m i nguyên t . - Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn b v t li u, m i nguyên t còn ch u nh hư ng t các tác đ ng khác nhau bên ngoài nguyên t . Do đó, m c năng lư ng c a các electron trong cùng l p và l p con có th không còn b ng nhau gi a các nguyên t . 11 Nh n xét - S electron t do trong v t li u ph thu c r t nhi u vào nhi t đ và do đó đ d n đi n c a v t li u cũng v y. - Nhi t đ càng cao thì năng lư ng c a các electron càng l n. - V t li u bán d n có h s nhi t đi n tr âm. - V t li u d n đi n có h s nhi t đi n tr dương. 12 6
  7. 12-Sep-10 1.2.1 L tr ng và dòng l tr ng - V t li u bán d n t n t i m t d ng h t d n khác ngoài electron t do. - M t electron t do xu t hi n thì đ ng th i nó cũng sinh ra m t l tr ng (hole). -L tr ng đư c qui ư c là h t d n mang đi n tích dương. -Dòng di chuy n có hư ng c a l tr ng đư c g i là dòng l tr ng trong bán d n. -Khi l tr ng di chuy n t ph i sang trái cũng đ ng nghĩa v i vi c các electron l p v ngoài cùng di chuy n t trái sang ph i. 13 1.2.1 L tr ng và dòng l tr ng - Có th phân tích dòng đi n trong bán d n thành hai dòng electron. - Đ ti n l i ta thư ng xem như dòng đi n trong bán d n là do dòng electron và dòng l tr ng gây ra. - Ta thư ng g i electron t do và l tr ng là h t d n vì chúng có kh năng chuy n đ ng có hư ng đ sinh ra dòng đi n. 14 7
  8. 12-Sep-10 1.2.1 L tr ng và dòng l tr ng - Khi m t electron t do và l tr ng k t h p l i v i nhau trong vùng hóa tr , các h t d n b m t đi, và ta g i quá trình này là quá trình tái h p h t d n. - Vi c phá v m t liên k t hóa tr s t o ra m t electron t do và m t l tr ng, do đó s lư ng l tr ng s luôn b ng s lư ng electron t do. Bán d n này đư c g i là bán d n thu n khi t hay bán d n n i t i (lo i i) (intrinsic). - Ta có: ni = pi ni: m t độ eletron (electron/cm3) pi: m t độ lỗ tr ng (lỗ tr ng/cm3) 15 1.2.2 Dòng trôi - Khi m t hi u đi n th đư c đ t lên hai đ u bán d n, đi n trư ng s làm cho các electron t do di chuy n ngư c chi u đi n trư ng và các l tr ng di chuy n cùng chi u đi n trư ng. - C hai s di chuy n này gây ra trong bán d n m t dòng đi n có chi u cùng chi u đi n trư ng đư c g i là dòng trôi (drift current). - Dòng trôi ph thu c nhi u vào kh năng di chuy n c a h t d n trong bán d n, kh năng di chuy n đư c đánh giá b ng đ linh đ ng c a h t d n. Đ linh đ ng này ph thu c vào lo i h t d n cũng như lo i v t li u. Silicon Germanium µn = 0.14 m 2 ( Vs ) µn = 0.38 m 2 ( Vs ) µ p = 0.05 m 2 ( Vs ) µ p = 0.18 m 2 ( Vs ) 16 8
  9. 12-Sep-10 1.2.2 Dòng trôi - Trong chuy n đ ng trôi, v n t c trung bình c a đi n t và l tr ng t l v i cư ng đ đi n trư ng E (ho c gradien đi n th ) đã gây ra chuy n đ ng đó: dϕ vn = − µ n E = µ n dx dϕ v p = µ p E = −µ p dx 17 1.2.2 Dòng trôi - M t đ dòng đi n J: J = J n + J p = nq n µ n E + pq p µ p E = nq n v n + pq p v p V i: J: m t đ dòng đi n, (A/m2); E: cư ng đ đi n trư ng (V/m) n, p: m t đ electron t do và l tr ng, (h t d n/m3) q n , q p = đơn v đi n tích electron = 1.6 × 10 C − 19 µ n , µ p = đ linh đ ng c a electron t do và l tr ng (m2/Vs) v n , v p = v n t c electron t do và l tr ng, (m/s) 18 9
  10. 12-Sep-10 Ví d 1-1 M t hi u đi n th đư c đ t lên hai đ u c a m t thanh bán d n thu n trong hình v . Gi s : ni = 1.5 × 1010 là electron/m3 µ n = 0 .1 4 m 2 ( V s ) µ p = 0 .0 5 m 2 ( V s ) Tìm: 1. V n t c electron t do và l tr ng; 2. M t đ dòng electron t do và l tr ng; 3. M t đ dòng t ng c ng; 4. Dòng t ng c ng trong thanh bán d n. 19 Hư ng d n 1. Ta có: E = U / d = 2 . 10 3 V / m v n = E .µ n = 2 . 8 x 10 2 m / s v p = E .µ p = 10 2 m / s 2. Vì v t li u là thu n nên: p i = n i = 1 . 5 x 10 10 ( / cm 3 ) = 1 . 5 x 10 10 / 10 − 6 (/ m 3 ) J n = n i .q n .v n = 0 . 672 A / m 2 J p = n i .q p .v p = 0 . 24 A / m 2 2 3. J = J n + J p = 0 . 672 + 0 . 24 = 0 . 912 A / m 4. Ti t di n ngang c a thanh là : ( 2 0 × 1 0 m )( 2 0 × 1 0 − 3 m ) = 4 × 1 0 − 4 m 2 −3 Dòng đi n: I = J.S = ( 0 . 912 A / m 2 ).( 4 x 10 − 4 m 2 ) = 0 . 365 mA 20 10
  11. 12-Sep-10 M t s lưu ý - Đi n tr có th đư c tính b ng cách dùng công th c: l R =ρ S - Đi n d n, đơn v siemens (S), đư c đ nh nghĩa là ngh ch đ o c a đi n tr , và đi n d n su t, đơn v S/m, là ngh ch đ o c a đi n tr su t: 1 σ= ρ - Đi n d n su t c a v t li u bán d n có th đư c tính theo công th c: σ = nq n µ n + pq p µ p 21 Ví d 1-2 1. Tính đi n d n su t và đi n tr su t c a thanh bán d n trong ví d 1-1. 2. Dùng k t qu c a câu 1 đ tìm dòng trong thanh bán d n khi đi n áp trên hai đ u c a thanh là 12V. 22 11
  12. 12-Sep-10 Hư ng d n 1. Vì bán d n thu n nên: n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C σ = n qn µ n + p qp µ p σ = 4.56 x 10 − 4 S / m 1 ρ= = 2192 .98 Ωm σ 2. l R=ρ = 32.98 KΩ S U I= = 0.365 mA R 23 1.3.3 Dòng khu ch tán - N u như trong bán d n có s chênh l ch m t đ h t d n thì các h t d n s có khuynh hư ng di chuy n t nơi có m t đ h t d n cao đ n nơi có m t đ h t d n th p hơn nh m cân b ng m t đ h t d n. - Quá trình di chuy n này sinh ra m t dòng đi n bên trong bán d n. Dòng đi n này đư c g i là dòng khu ch tán (diffusion current). - Dòng khu ch tán có tính ch t quá đ (th i gian t n t i ng n) tr khi s chênh l ch m t đ đư c duy trì trong bán d n. 24 12
  13. 12-Sep-10 1.3.3 Dòng khu ch tán dn M t đ dòng khu ch tán c a đi n t J n = qDn dx dp M t đ dòng khu ch tán c a l tr ng J p = − qD p dx q = 1.6 x 10-19 C Dn: h s khu ch tán c a đi n t (silicon 34 cm2/s) Dp: h s khu ch tán c a l tr ng (silicon 12 cm2/s) dn/dx: gradient c a n ng đ đi n t dp/dx: gradient c a l tr ng Dn = VT µ n D p = VT µ p k = 1.38 x 10-23 kT q = 1.6 x 10-19 Đi n th nhi t VT = q T: nhi t đ K = oC + 273 T i nhi t đ phòng (20oC), VT ≈ 25 mV 25 Bán d n thu n khi t (Bán d n lo i i) M t đ đi n t t do b ng v i m t đ l tr ng. ni = pi ni: m t đ đi n t t do(electron/cm3) pi: m t đ l tr ng (l tr ng/cm3) •Đi n t t do có đi n tích –q •L tr ng có đi n tích +q • Đi n t t do và l tr ng là h t d n T o ra dòng đi n khi chuy n đ ng có hư ng 26 13
  14. 12-Sep-10 Bán d n lo i P và bán d n lo i N - Trong th c t , ngư i ta s t o ra v t li u bán d n trong đó m t đ electron l n hơn m t đ l tr ng ho c v t li u bán d n có m t đ l tr ng l n hơn m t đ electron t do. - Các v t li u bán d n này đư c g i là bán d n có pha t p ch t. - Bán d n mà electron t do chi ph i đư c g i là bán d n lo i N, và ngư c l i, bán d n trong đó l tr ng chi ph i ch y u đư c g i là bán d n lo i P. 27 Bán d n lo i N C u trúc tinh th bán d n ch a m t nguyên t donor. H t nhân c a donor đư c ký hi u là D. •Bán d n lo i N = Bán d n thu n + T p ch t nhóm 5 Vd: Si + Phosphore, Ge + Asenic •T p ch t này cung c p đi n t T p ch t cho (t p ch t donor) •Nguyên t t p ch t b ion hóa thành ion dương 28 14
  15. 12-Sep-10 Bán d n lo i N nd = Nd nd: N ng đ đi n t t do do t p ch t cung c p Nd: N ng đ t p ch t donor nn = Nd + pn nn: T ng n ng đ đi n t t do trong bán d n N pn: n ng đ l tr ng trong bán d n N nn >> pn nn ≈ Nd nnpn = ni2 ni: m t đ đi n t trong bán d n thu n H t d n đa s là đi n t . H t d n thi u s là l tr ng. 29 Bán d n lo i P C u trúc tinh th bán d n có ch a m t nguyên t acceptor. Nguyên t acceptor đư c ký hi u là A. •Bán d n lo i P = Bán d n thu n + T p ch t nhóm 3 Vd: Si + Bore, Ge + Indium •T p ch t này nh n đi n t T p ch t nh n (t p ch t acceptor) •Nguyên t t p ch t b ion hóa thành ion âm 30 15
  16. 12-Sep-10 Bán d n lo i P pa = Na pa: N ng đ l tr ng do t p ch t cung c p Na: N ng đ t p ch t acceptor pp = Na + np pp: T ng n ng đ l tr ng trong bán d n P np: n ng đ đi n t t do trong bán d n P pp >> np pp ≈ Na nppp = ni2 ni: m t đ đi n t trong bán d n thu n H t d n đa s là l tr ng. H t d n thi u s là đi n t . 31 Ví d 1-3 M t thanh silicon có m t đ electron trong bán d n thu n là 1.4 × 1016 electron/m3 b kích thích b i các nguyên t t p ch t cho đ n khi m t đ l tr ng là 8.5 × 10 21 l tr ng/m3. Đ linh đ ng c a electron và l tr ng là µn = 0.14 m2 ( Vs ) 2 và µ p = 0.05 m ( Vs ) 1. Tìm m t đ electron trong bán d n đã pha t p ch t. 2. Bán d n là lo i N hay lo i P? 3. Tìm đ d n đi n c a bán d n pha t p ch t. 32 16
  17. 12-Sep-10 Ví d 1-3 M t thanh silicon có m t đ electron trong bán d n thu n là 1.4 × 1016 electron/m3 b kích thích b i các nguyên t t p ch t cho đ n khi m t đ l tr ng là 8.5 × 10 21 l tr ng/m3. Đ linh đ ng c a electron và l tr ng là µn = 0.14 m2 ( Vs ) và µ p = 0.05 m ( Vs ) . 2 1. Tìm m t đ electron trong bán d n đã pha t p ch t. 2. Bán d n là lo i N hay lo i P? 3. Tìm đ d n đi n c a bán d n pha t p ch t. Hư ng d n 2 ni2 (1.4 × 10 ) 16 1. n= = = 2.3 × 1010 electron/m 3 21 p 8.5 × 10 2. Vì p > n nên v t li u là lo i P. 3. σ = nµnqn + pµpqp = ( 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 33 1.4 Chuy n ti p 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 d n lo i P Bán d n lo i N • Hai kh i bán d n P và N ti p xúc nhau • Do chênh l ch n ng đ hi n tư ng khu ch tán c a các h t d n đa s • Đi n t khu ch tán t N P • L tr ng khu ch tán t P N dn dp Dòng đi n khu ch tán v i m t đ dòng là J = qDn − qD p 34 dx dx 17
  18. 12-Sep-10 1.4 Chuy n ti p PN • Trên đư ng khu ch tán, các đi n tích trái d u s tái h p v i nhau trong m t vùng h p hai bên m t ranh gi i có n ng đ h t d n gi m xu ng r t th p. • T i vùng đó, bên bán d n P h u như ch còn ion âm acceptor và bên bán d n N h u như ch còn ion dương donor hình thành hai l p đi n tích trái d u đ i di n nhau chênh l ch hi u đi n th đi n th ti p xúc Vtx đi n trư ng ti p xúc Etx. • Vùng h p đó đư c g i là vùng nghèo (depletion region) ho c chuy n ti p P-N (PN junction). • Do Etx hi n tư ng trôi c a các h t d n thi u s • L tr ng c a bán d n N ch y v c c âm c a đi n trư ng • Đi n t c a bán d n P ch y v c c dương c a đi n trư ng dòng đi n trôi v i m t đ dòng là J = σEtx = q ( pn µ p + n p µ n ) Etx 35 1.4 Chuy n ti p PN • Dòng đi n trôi ngư c chi u v i dòng khu ch tán • N ng đ h t d n đa s trong hai kh i bán d n càng chênh l ch khu ch tán càng m nh và tái h p càng nhi u Etx càng tăng dòng trôi càng tăng Sau m t th i gian ng n, dòng trôi và dòng khu ch tán cân b ng nhau Dòng t ng c ng qua m t ranh gi i b ng không: tr ng thái cân b ng Khi đó, hi u đi n th ti p xúc có giá tr nh t đ nh pp nn N N  Vtx = VT ln = VT ln = VT ln a 2 d  n   pn np  i  Thông thư ng Vtx = 0,35 V đ i v i Ge và 0,7 V đ i v i Si. Hi u đi n th này ngăn c n, không cho h t d n ti p t c chuy n đ ng qua m t ranh gi i, duy trì tr ng thái cân b ng, nên đư c g i là “hàng rào đi n th ” 36 18
  19. 12-Sep-10 Ví d 1-4 M t chuy n ti p PN đư c t o nên t bán d n lo i P có 1022 acceptor/m3 và bán d n lo i N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm đi n th nhi t và đi n th hàng rào t i 25°C. Cho ni = 1.5 x 1016 electron/m3. 37 Ví d 1-4 Hư ng d n kT Áp d ng: VT = q v i: T = 25 + 273 = 298°K k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10 -19C VT = 25.7 mV Đi n th hàng rào:  N .N  V0 = VT . ln  A 2 D  n    i  V0= 0.635 V 38 19
  20. 12-Sep-10 1.5 Phân c c chuy n ti p PN - Chuy n ti p PN có th đư c phân c c b ng cách dùng m t ngu n đi n áp đ t lên hai đ u c a chuy n ti p. Ngu n áp phân c c thu n chuy n ti p PN. 39 Phân c c thu n chuy n ti p PN • P n i c c dương, N n i c c âm • Hàng rào đi n th gi m còn Vtx – V H t d n đa s s “tràn qua hàng rào” sang mi n đ i di n, đư c g i là hi n tư ng “phun h t d n” hay “chích h t d n” (injection) • Tình tr ng thi u h t d n trong vùng nghèo đư c gi m b t b dày vùng nghèo thu h p đi n tr c a vùng này gi m • Dòng đi n qua chuy n ti p PN l n và tăng nhanh theo đi n áp  qV  qV V I = I S e mkT − 1 ≈ I S e mkT = I S e mVT Trong đó:   I : dòng qua chuy n ti p (A) V: đi n áp phân c c (V). IS (I0): dòng ngư c bão hòa (A) m: h s hi u ch nh, ph thu c vào v t li u; 1≤m≤2) 40 VT: đi n th nhi t (V) 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản