Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Nguyễn Lý Thiên Trường

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

163
lượt xem 20
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 có nội dung trình bày về vật liệu bán dẫn, dòng điện trong chất bán dẫn, cách thức tạo ra chất bán dẫn loại N, chuyển tiếp PN, phân cực chuyển tiếp PN, đánh thùng chuyển tiếp PN, ảnh hưởng của nhiệt độ đến phân cực.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Nguyễn Lý Thiên Trường

Chng 1 GI I THI U V BÁN D N Ví du vê nguyên t bán d n Silicon (Si) Nguyên t bán d n Si, có 4 electron l p ngoài cùng. 1.1 V t li u bán d n - D a trên tính d n i n, v t li u bán d n không ph i là v t li u cách i n H t nhân mà cũng không ph i là v t li u d n i n t t. - i v i v t li u d n i n, l p v ngoài cùng c a nguyên t có r t ít các m t n a liên electron, nó có khuynh hư ng gi i phóng các electron này t o thành k t hóa tr electron t do và t n tr ng thái b n v ng. liên k t - V t li u cách i n l i có khuynh hư ng gi l i các electron l p ngoài hóa tr cùng c a nó có tr ng thái b n v ng. - V t li u bán d n, có khuynh hư ng t n tr ng thái b n v ng t m th i b ng cách l p y l p con c a l p v ngoài cùng. Liên k t hóa tr trong tinh thê - Các ch t bán d n i n hình như Germanium (Ge), Silicium (Si),.. là bán d n Si nh ng nguyên tô thu c nhóm 4 n m trong b ng hê th ng tu n hoàn. 1.2 Dòng i n trong ch t bán d n 1.2 Dòng i n trong ch t bán d n - Trong v t li u d n i n có r t nhi u electron t do. Gi n ô năng l ng - Khi i u ki n môi trư ng, n u ư c h p thu m t năng lư ng nhi t các electron này s ư c gi i phóng kh i nguyên t . Gi n vùng năng lư ng c a m t s v t li u. - Khi các electron này chuy n ng có hư ng s sinh ra dòng i n. - i v i v t li u bán d n, các electron t do cũng ư c sinh ra m t cách tương tư. - Tuy nhiên, năng lư ng c n gi i phóng các electron này l n hơn i v i v t li u d n i n vì chúng b ràng bu c b i các liên k t hóa tr . - Năng lư ng này ph i l n phá v liên k t hóa tr gi a các nguyên t . conduction band: vùng d n. Vùng d n là vùng năng lư ng c a các electron t do. forbidden band: vùng c m. Vùng mà không có electron nào mang năng lư ng. valence band: vùng hóa tr . Vùng hóa tr là vùng c a các electron n m trong l p v ngoài cùng. 1
Nh n xét 1.2.1 Lô tr ng và dòng lô tr ng - S electron t do trong v t li u ph thu c r t nhi u vào nhi t và do ó - V t li u bán d n t n t i m t d n i n c a v t li u cũng v y. d ng h t d n khác ngoài electron t do. - Nhi t càng cao thì năng lư ng c a các electron càng l n. - M t electron t do xu t hi n thì - V t li u bán d n có h s nhi t i n tr âm. ng th i nó cũng sinh ra m t l tr ng (hole). - V t li u d n i n có h s nhi t i n tr dương. -L tr ng ư c qui ư c là h t d n mang i n tích dương. -Dòng di chuy n có hư ng c a lô tr ng ư 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 ng nghĩa v i vi c các electron l p v ngoài cùng di chuy n t trái sang ph i. 1.2.1 Lô tr ng và dòng lô tr ng 1.2.2 Dòng trôi - Có th phân tích dòng i n trong bán d n thành hai dòng electron. - Khi m t hi u i n th ư c t lên hai u bán d n, i n trư ng s làm cho các electron t do di chuy n ngư c chi u i n trư ng và các l tr ng - ti n l i ta thư ng xem như dòng i n trong bán d n là do dòng di chuy n cùng chi u i n trư ng. electron và dòng l tr ng gây ra. - C hai s di chuy n này gây ra trong bán d n m t dòng i n có chi u - Ta thư ng g i electron t do và l tr ng là h t d n vì chúng có kh năng cùng chi u i n trư ng ư c g i là dòng trôi (drift current). chuy n ng có hư ng sinh ra dòng i n. - Dòng trôi ph thu c nhi u vào kh năng di chuy n c a h t d n trong bán - Khi m t electron t do và l tr ng k t h p l i v i nhau trong vùng hóa tr , d n, kh năng di chuy n ư c ánh giá b ng linh ng c a h t d n. các h t d n b m t i, và ta g i quá trình này là quá trình tái h p h t d n. linh ng này ph thu c vào lo i h t d n cũng như lo i v t li u. - 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 ó s lư ng l tr ng s luôn b ng s lư ng electron t do. Bán Silicon Germanium d n này ư c g i là bán d n thu n hay bán d n n i t i (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: m t ô electron (electron/cm3) pi: m t ô lô tr ng (lô tr ng/cm3) 2
1.2.2 Dòng trôi Ví du 1-1 M t hi u i n th ư c t lên hai u c a m t thanh bán d n thu n - V n t c c a h t d n trong i n trư ng E: trong hình ve. Gi s : 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. V n t c electron t do và l tr ng; v p = E.µp 2. M t dòng electron t do và l tr ng; 3. M t dòng t ng c ng; -M t dòng i n J: 4. Dòng t ng c ng trong thanh bán d n. J = J n + J p = nqn µ n E + pq p µ p E = nqn vn + pq p v p V i: Jm t dòng i n, (A/m2) , E cư ng ô i n trư ng(V/m) n, p m t electron t do và l tr ng, (h t d n/m3) qn , q p = ơn v i n tích electron = 1.6 × 10 −19 C µn , µ p = linh ng c a electron t do và l tr ng (m2/Vs) vn , v p = v n t c electron t do và l tr ng, (m/s) Hư ng d n M t sô lu ý 1. Ta có: - i n tr có th ư c tính b ng cách dùng công th c: 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 v t li u là thu n nên: - i n d n, ơn v siemens (S), ư c nh nghĩa là ngh ch o c a i n tr , và i n d n su t, ơn v S/m, là ngh ch o c a i n tr su t: 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 - i n d n su t c a v t li u bán d n có th ư c tính theo công th c: 4. Ti t di n ngang c a thanh là : ( 20 × 10 −3 m )( 20 × 10 −3 m ) = 4 × 10 −4 m 2 σ = nqn µ n + pq p µ p Dòng i n: 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 i n d n su t và i n tr su t c a thanh bán d n trong ví d 1-1. - N u như trong bán d n có s chênh l ch m t h t d n thì các h t d n 2. Dùng k t qu c a câu 1 tìm dòng trong thanh bán d n khi i n áp s có khuynh hư ng di chuy n t nơi có m t h t d n cao n nơi có trên hai u c a thanh là . m t h t d n th p hơn nh m cân b ng m t h t d n. H ng d n - Quá trình di chuy n này sinh ra m t dòng i n bên trong bán d n. Dòng 1. Vì bán d n thu n nên: i n này ư c g i là dòng khu ch tán (diffusion current). n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /cm3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C - Dòng khu ch tán có tính ch t quá (th i gian t n t i ng n) tr khi s σ = n qn µ n + p qp µ p chênh l ch m t ư c duy trì trong bán d n. 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 d n lo i P và bán d n lo i N Bán d n thu n (Bán d n lo i i): M t i nt t do b ng v i m t l tr ng: ni=pi ni: m t i n t t do (electron/cm3) pi: m t l tr ng (l tr ng/cm3) i nt t do có i n tích là: –q L tr ng có i n tích là: +q i n t t do và l tr ng là h t d n t o ra dòng i n khi chuy n ng có hư ng. 4
Cách th c t o ra bán d n lo i N Tính ch t c a bán d n lo i N Khi toàn b các nguyên t t p ch t ư c ion hóa: nd=Nd C u trúc tinh th nd: n ng i n t t do ư c cung c p b i t p ch t donor bán d n ch a m t Nd: n ng t p ch t donor nguyên t donor. H t nhân c a nn=Nd+pn donor ký hi u là D. nn: t ng n ng i n t t do trong bán d n lo i N pn: n ng l tr ng trong bán d n lo i N nn>>pn nn≈Nd Bán d n lo i N=Bán d n thu n+T p ch t nhóm 5 nn.pn=ni2 ni: m t i n t trong bán d n thu n Ví d : Si+phosphore, Ge+Asenic T p ch t này cung c p i n t t p ch t cho (t p ch t donor) Nh n xét: trong bán d n lo i N thì h t d n a s là i n t , h t d n thi u s là l tr ng. Cách th c t o ra bán d n lo i P Tính ch t c a bán d n lo i P Khi toàn b các nguyên t t p ch t ư c ion hóa: pa=Na C u trúc tinh th bán d n có ch a pa: n ng l tr ng ư c cung c p b i t p ch t acceptor m t nguyên t acceptor. Na: n ng t p ch t acceptor Nguyên t pp=Na+np acceptor c ký hi u là A. pp: t ng n ng l tr ng trong bán d n lo i P np: n ng i n t t do trong bán d n lo i P pp>>np pp≈Na Bán d n lo i P=Bán d n thu n+T p ch t nhóm 3 np.pp=ni2 Ví d : Si+Bore, Ge+Indium ni: m t i n t trong bán d n thu n T p ch t này nh n i n t t p ch t nh n (t p ch t acceptor) Nh n xét: trong bán d n lo i P thì h t d n a s là l tr ng, h t d n thi u s là i n t . 5
Nh n xét Ví du 1-3 electron trong bán d n thu n là 1.4 × 10 16 - Trong bán d n lo i N, electron t do là h t d n a s (ho c M t thanh silicon có m t h t d n ch y u), l tr ng là h t d n thi u s (ho c h t d n electron/m3 b kích thích b i các nguyên t t p ch t cho n khi m t l tr ng là 8.5 × 10 21 l tr ng/m3. linh ng c a electron và l tr ng là th y u). 2 ( ) µn = 0.14 m Vs và µ p = 0.05 m ( Vs ) .2 - Trong bán d n lo i P, l tr ng là h t d n a s (ho c h t 1. Tìm m t electron trong bán d n ã pha t p ch t. d n ch y u), electron t do là h t d n thi u s (ho c h t 2. Bán d n là lo i N hay lo i P? d n th y u). 3. Tìm d n i n c a bán d n pha t p ch t. Hư ng d n - Trong h u h t các bán d n trong th c t 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 v t li u là lo i P. V i: n: m t ô electron p: m t ô lô tr ng 3. σ = nµnqn + pµ pqp ni: m t ô electron trong bán d n thu n. = ( 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 Chuy n ti p PN 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 6
1.4 Chuy n ti p PN 1.4 Chuy n ti p PN - Hi u i n th t n t i hai bên chuy n ti p ư c g i là hi u i n th hàng rào (barrier). kT  N a N d  Vtx = V0 = Vγ = ln  q  ni2    -V i: k: h ng sô Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K T: nhi t ô tuy t iK q: ơn v i n tích = 1.6 x 10-19 C Na: n ng ô t p ch t acceptor trong bán d n lo i P Nd: n ng ô t p ch t donor trong bán d n lo i N ni: m t ô h t d n trong bán d n thu n. - th hi n s ph thu c c a hi u i n th vào nhi t , ngư i ta ưa ra khái ni m i n th nhi t: kT N N  VT = ⇒ Vtx = V0 = Vγ = VT ln a 2 d   n  q  i  Ví du 1-4 1.5 Phân c c chuy n ti p PN M t chuy n ti p PN ư 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 i n th nhi t và i n th hàng rào t i 25°C. Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3. 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 i n thê hàng rào:  N .N  V0 = VT . ln a 2 d  n    i  V0= 0.635 V 7
1.5 Phân c c chuy n ti p PN c tuy n Volt-Ampe V Quan h dòng – áp trong chuy n ti p PN d i phân c c thu n và phân c c ng c. 1.6 ánh th ng chuy n ti p PN 1.6 ánh th ng chuy n ti p PN Có 2 nguyên nhân gây ra ánh th ng: nhi t và i n. - ánh th ng vê nhi t x y ra do sư tích lũy nhi t trong vùng nghèo h t d n. (Dòng IS tăng g p ôi khi nhi t ô tăng 10°C) - ánh th ng vê i n ư c phân làm 2 lo i: ánh th ng thác lu (avalanching) và ánh th ng xuyên h m (tunnel) - Biên c a dòng ngư c khi V≈VBR (breakdown voltage) có th ư c tính b ng bi u th c sau: IS I= n  V  V  1−    BR  Quan h c a diode cho th y s gia tăng t ng t v i n là h ng s ư c xác nh t th c nghi m. c a dòng khi áp g n n i n áp ánh th ng. 8
1.7 nh hư ng c a nhi t n phân c c Ví du 1-5 M t diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA 20°C . Tìm dòng i n qua nó khi ư c phân c c thu n 0,55V. Tìm dòng trong diode khi nhi t tăng lên n 100 °C. Hư ng d n T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V V > 0.5V ⇒ m = 1 (diode silicon) ⇒ I = 0.283 mA T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V Khi nhi t thay i t 20°C n 100°C, dòng Is ư c nhân ôi 8 l n, do ó Is t i 100oC l n g p 256 l n Is t i 20oC: I = 256 ×10 −13 ( e0.55 0.03217 − 1) = 0.681 mA S gia tăng c a nhi t làm cho c tuy n d ch sang trái. 9