Điện Tử - Kỹ Thuật Mạch Điện Tử part 3

Chia sẻ: Ngọc Tam | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kĩ thuật điện giải quyết các vấn đề ở các hệ thống điện vĩ mô như truyền tải năng lượng và điều khiển motor, trong khi kĩ thuật điện tử nghiên cứu các hệ thống điện nhỏ hơn nhiều như máy tính và mạch tích hợp. Hay nói cách khác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Điện Tử - Kỹ Thuật Mạch Điện Tử part 3

Hình 1.9. H t ng i u ch nh Khi ∆U = 0, ta có Tx = Tch. (Ux = Uch) i tư ng ang tr ng thái mong mu n, • nhánh thông tin ngư c không ho t ng. Khi ∆U > 0 (Ux > Uch) Tx > Tch h i u ch nh làm gi m Tx . • Khi ∆U < 0 Tx < Tch h i u ch nh làm tăng Tx. quá trình i u ch nh Tx ch • ng ng khi ∆U = 0. c) m n (chính xác) khi i u ch nh ph thu c vào: chính xác c a quá trình bi n i t Tch thành Uch • phân d i c a ph n t so sánh ( nh c a ∆U) • chính xác c a quá trình bi n i Tx thành Ux • Tính ch t quán tính c a h . • d) Có th iêu ch nh liên t c theo th i gian (analog) hay gián o n theo th i gian mi n sao t ư c giá tr trung bình mong i. Phương pháp digital cho phép, ti t ki m năng lư ng c a h và ghép n i v i h th n g t ng tính toán. e) Chú ý r ng, thông thư ng n u ch n m t ngư ng Uch ta nh n ư c k t qu là h i u khi n có hành ng hay không tùy theo Ux ang l n hơn hay nh hơn Uch (và do ó tham s v t lý c n theo dõi ang l n hơn hay nh hơn giá tr ngư ng nh s n t trư c). Khi ch n ư c hai m c ngư ng Uchl vă Uch2 h s hành ng m i khi Ux n m l t vào trong kho ng hai giá tr ngư ng ho c ngư c l i, i u này mang ý nghĩa th c t hơn c a m t h t ng i u ch nh. Trư ng h p v i m t m c ngư ng, h mang ý nghĩa dùng i u khi n tr ng thái (hành vi) c a i tư ng. 15
Chương 2 K THU T TƯƠNG T 2.1. CH T BÁN D N I N - PH N T M T M T GHÉP P-N 2.1.1. Ch t bán d n nguyên ch t và ch t bán d n t p ch t a - C u trúc vùng năng lư ng c a ch t r n tinh th Ta ã bi t c u trúc năng lư ng c a m t nguyên t ng cô l p có d ng là các m c r i r c. Khi ưa các nguyên t l i g n nhau, do tương tác, các m c này b suy bi n thành nh ng d i g m nhi u m c sát nhau ư c g i là các vùng năng lư ng. ây là d ng c u trúc năng lư ng i n hình c a v t r n tinh th . Tùy theo tình tr ng các m c năng lư ng trong m t vùng có b i n t chi m ch hay không, ngư i ta phân bi t 3 lo i vùng năng lư ng khác nhau: - Vùng hóa tr (hay còn g i là vùng y), trong ó t t c các m c năng lư ng uã b chi m ch , không còn tr ng thái (m c) năng lư ng t do. - Vùng d n (vùng tr ng), trong ó các m c năng lư ng u còn b tr ng hay ch b chi m ch m t ph n. - Vùng c m, trong ó không t n t i các m c năng lư ng nào i n t có th chi m ch hay xác su t tìm h t t i ây b ng 0. Tùy theo v trí tương i gi a 3 lo i vùng k trên, xét theo tính ch t d n i n c a mình, các ch t r n c u trúc tinh th ư c chia thành 3 lo i (xét 00K) th hi n trên hình 2.1. Vùng d n Vùng d n Vùng d n 0 < Eg ≤ 2eV Vùng c m Eg Vùng Vùng hóa tr Vùng hóa tr Vùng hóa tr b) c) a) Hình 2.1: Phân lo i v t r n theo c u trúc vùng năng lư ng al Ch t cách i n Eg > 2eV ; b) Ch t bán d n i n 0 < Eg ≤ 2eV; c) Ch t d n i n Chúng ta ã bi t, mu n t o dòng i n trong v t r n c n hai quá trình ng th i: quá trình t o ra h t d n t do nh ư c kích thích năng lư ng và quá trình chuy n ng có hư ng c a các h t d n i n này dư i tác d ng c a trư ng. Dư i ây ta xét t i cách d n i n c a ch t bán d n nguyên ch t (bán d n thu n) và ch t bán d n t p ch t mà i m khác nhau ch y u liên quan t i quá trình sinh (t o) các h t d n t do trong m ng tinh th . 16
b- Ch t bán d n thu n Hai ch t bán d n thu n i n hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có c u trúc vùng năng lư ng d ng hình 2.1b v i Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV, thu c nhóm b n b ng tu n hoàn Mendeleep. Mô hình c u trúc m ng tinh th (1 chi u) c a chúng có 0 d ng hình 2.2a v i b n ch t là các liên k t ghép ôi i n t hóa tr vành ngoài. K chúng là các ch t cách i n. Khi ư c m t ngu n năng lư ng ngoài kích thích, x y ra hi n tư ng ion hóa các nguyên t nút m ng và sinh t ng c p h t d n t do: i n t b t kh i liên k t ghép ôi tr thành h t t do và l i 1 liên k t b khuy t (l tr ng). Trên th vùng năng lư ng như hình 2.2b, i u này tương ng v i s chuy n i n t t 1 m c năng lư ng trong vùng hóa tr lên 1 m c trong vùng d n l i1m ct do (tr ng) trong vùng hóa tr . Các c p h t d n t do này, dư i tác d ng c a 1 trư ng ngoài hay m t Gradien n ng có kh năng d ch chuy n có hư ng trong lòng tinh th t o nên dòng i n trong ch t bán d n thu n. Vïng dÉn Si Si Si ni + Si Si Si 1,12eV pi Si Si Si Vïng ho¸ trÞ b) a) Hình 2.2: a) M ng tinh th m t chi u c a Si. b) C u trúc vùng năng lư ng K t qu là: 1) Mu n t o h t d n t do trong ch t bán d n thu n c n có năng lư ng kích thích l n Ekt ≥ Eg 2) Dòng i n trong ch t bán d n thu n g m hai thành ph n tương ương nhau do qúa trình phát sinh t ng c p h t d n t o ra (ni = Pi). c - Ch t bán d n t p ch t lo i n Ngư i ta ti n hành pha thêm các nguyên t thu c nhóm 5 b ng Mendeleep vào m ng tinh th ch t bán d n nguyên ch t nh các công ngh c b i t, v i n n g 10 18 3 kho ng 10 n 10 nguyên t /cm . Khi ó các nguyên t t p ch t th a m t i n t vành ngoài, liên k t y u v i h t nhân, d d ng b ion hóa nh m t ngu n năng lư ng y u t o nên m t c p ion dương t p ch t – i n t t do. Ngoài ra, hi n tư ng phát sinh h t d n gi ng như cơ ch c a ch t bán d n thu n v n x y ra nhưng v i m c y u hơn. Trên th vùng năng lư ng, các m c năng lư ng t p ch t lo i này (g i là 17
t p ch t lo i n hay lo i cho i n t - Donor) phân b bên trong vùng c m, n m sát áy vùng d n ( kho ng cách vài % eV). Vïng dÉn Vïng dÉn ⊕ Møc t¹p chÊt lo¹i n ⊕ − − Møc t¹p chÊt lo¹i p Vïng ho¸ trÞ Vïng ho¸ trÞ b) a) Hình 2.3: th vùng năng lư ng a) bán d n lo i n; b) bán d n lo i p K t qu là trong m ng tinh th t n t i nhi u ion dương c a t p ch t b t ng và dòng i n trong ch t bán d n lo i n g m hai thành ph n không b ng nhau t o ra: i n t ư c g i là lo i h t d n a s có n ng là nn, l tr ng - lo i thi u s có n ng pn (chênh nhau nhi u c p: nn >>pn). d - Ch t bán dân t p ch t lo i p N u ti n hành pha t p ch t thu c nhóm 3 b ng tu n hoàn Mendeleep vào tinh th ch t bán d n thu n ta ư c ch t bán d n t p ch t lo i p v i c i m ch y u là nguyên t t p ch t thi u m t i n t vành ngoài nên liên k t hóa tr (ghép ôi) b khuy t, ta g i ó là l tr ng liên k t, có kh năng nh n i n t , khi nguyên t t p ch t b ion hóa s sinh ra ng th i 1 c p: ion âm t p ch t - l tr ng t do. M c năng lư ng t p ch t lo i p n m trong vùng c m sát nh vùng hóa tr (Hình 2.3b) cho phép gi i thích cách sinh h t d n c a ch t bán d n lo i này. Trong m ng tinh th ch t bán d n t p ch t lo i p t n t i nhiêu ion âm t p ch t có tính ch t nh x t ng vùng và dòng i n trong ch t bán d n lo i p g m hai thành ph n không tương ương nhau: l tr ng ư c g i là các h t d n a s , i n t h t thi u s , v i các n ng tương ng là pp và np (pp >>np). e- Vài hi n tư ng v t lí thư ng g p Cách sinh h t d n và t o thành dòng i n trong ch t bán d n thư ng liên quan tr c ti p t i các hi n tư ng v t lí sau: Hi n tư ng ion hóa nguyên t (c a ch t t p ch t) là hi n tư ng g n li n v i quá trình năng lư ng c a các h t. Rõ ràng s h t sinh ra b ng s m c năng lư ng b chi m trong vùng d n hay s m c b tr ng trong vùng hóa tr . K t qu c a v t lý th ng kê lư ng t cho phép tính n ng các h t này d a vào hàm th ng kê Fermi – Dirac: 18
E max EV ∫ N(E)F(E)dE ∫ N(E)F(E)dE p= (2-1) n= EC Emin v i n,p là nòng i n t trong vùng d n và l tr ng trong vùng hóa tr . Ec là m c năng lư ng c a áy vùng d n, Ev là m c năng lư ng c a nh vùng hóa tr , Emax là tr ng thái năng lư ng cao nh t c a i n t , Emin là tr ng thái năng lư ng th p nh t c a l tr ng, N(E) là hàm m t tr ng thái theo năng lư ng, F(E) là hàm phân b th ng kê h t theo năng lư ng. Theo ó ngư i ta xác n h ư c: E c − EF EF − E V n = Nc exp( − ) p = NV exp( ) (2-2) KT KT v i Nc, Nv là m t tr ng thái hi u d ng trong các vùng tương ng EF là m c th hóa h c (m c Fermi). K t qu phân tích cho phép có các k t lu n ch y u sau: tr ng thái cân b ng, tích s n ng hai lo i h t d n là m t h ng s (trong b t kì • ch t bán d n lo i nào) nn . pn = ppnp = ni pi = ni2 = NCNVexp( - Eg/KT ) = const (2-3) nghĩa là vi c tăng n ng 1 lo i h t này luôn kèm theo vi c gi m n ng tương ng lo i h t kia. Trong ch t bán d n lo i n có nn > > ni >>pp do ó s i n t t do luôn b ng s lư ng ion dương t p ch t: nn = ND+. Tương t , trong ch t bán d n lo i p có pp >> ni >> np) do ó s l tr ng luôn b ng s lư ng ion âm t p ch t: pp = NA- - Hi n tư ng tái h p c a các h t d n Hi n tư ng sinh h t d n phá h y tr ng thái cân b ng nhi t ng h c c a h h t (n.p ≠ ni2). Khi ó ngư i ta thư ng quan tâm t i s gia tăng n ng c a các h t thi u s vì chúng có vai trò quy t nh t i nhi u cơ ch phát sinh dòng i n trong các d ng c bán d n. Hi n tư ng tái h p h t d n là quá trình ngư c l i, liên quan t i các chuy n d i i n t t m c năng lư ng cao trong vùng d n v m c th p hơn trong vùng hóa tr . Hi n tư ng tái h p làm m t i ng th i 1 c p h t d n và ưa h h t v l i 1 tr ng thái cân b ng m i. Khi ó, trong ch t bán d n lo i n, là s tái h p c a l tr ng v i i n t trong i u ki n n n g i n t cao:  t ∆p(t) = ∆p(0)exp −  (2-4) τ  p ây: p(t) là m c gi m c a l tr ng theo th i gian. 19
p(0) là s lư ng l tr ng lúc t = 0 (có ư c sau 1 quá trình sinh h t) τp là th i gian s ng c a l tr ng trong ch t bán d n lo i n (là kho ng th i gian trong ó n ng l tr ng dư gi m i e l n) n(t) = n(o)exp(-t/τp ) (2-5) Các thông s τp và τn quy t nh t i các tính ch t t n s (tác ng nhanh) c a các d ng c bán d n. Dư i tác d ng c a i n trư ng, h t d n t do chuy n ng nh hư ng có gia t c t o nên 1 dòng i n (g i là dòng trôi) v i v n t c trung bình t l v i cư ng E c a trư ng: vtb =µE Suy ra vtbn = - nµnE (2-6) vtbp = µpE Trong ó µp, µn là các h s t l g i là linh ng c a các h t d n tương ng (v i ch t bán d n t p ch t ch t o t Ge có µn = 3800 cm2 / V.s ; µp = 1800 cm2/V.s, t Si có µn = 1300 cm2/V.s ; µp = 500cm2/V.s). T ó, m t dòng trôi g m hai thành ph n: Itrôin = - q . n . vtbn (2=7) v i q là i n tích các h t. Itrôip = q . p . vtbp hay dòng trôi toàn ph n Itrôi = Itrôin + Itrôip Itrôi = qE(µnn + µpp) (2-8) - Chuy n ng khu ch tán c a các h t d n Do có s chênh l ch v n ng theo không gian, các h t d n th c hi n chuy n ng khu ch tán t l p có n ng cao t i l p có n ng th p. M t dòng khu ch tán theo phương gi m c a n ng có d ng: Iktn = q . Dn ( - dn/dx ) = q . Dn . dn/dx (2-9) Iktp = q . Dp ( - dp/dx ) = - q . Dp. dp/dx (2-10) v i Dn và Dp là các h s t l g i là h s khu ch tán c a các h t tương ng. Ngư i ta ch ng minh ư c các tính ch t sau: D = µKT/q = UT. µ (h th c Einstein) . nhi t ô phòng T = 296oK) Trong ó UT là th nhi t (UT ≈ 25mv Dn τn = Ln2 ; Dp τp = Lp2 Trong ó Ln’ Lp là quãng ư ng khu ch tán c a h t (là kho ng cách trong ó n ng h t khu ch tán gi m i e l n theo phương khu ch tán) ó cũng chính là quãng ư ng trung bình h t d ch chuy n khu ch tán ư c trong th i gian s ng c a nó. 20
2.1.2. M t ghép p-n và tính ch nh lưu c a t bán d n a – M t ghép p-n khi chưa có i n áp ngoài Khi cho hai ơn tinh th bán n t p ch t lo i n và lo i p ti p xúc công ngh v i nhau, các hl n tư ng v t lí x y ra t i nơi ti p xúc là cơ s cho h u h t các d ng c bán d n i n hi n i. Hình 2.4 bi u di n mô hình lí tư ng hóa m t m t ghép p-n khi chưa có i n áp ngoài t vào. V i gi thi t nhi t phòng, các nguyên t t p ch t ã b ion hóa hoàn toàn (nn = N+D; pp = N -A). Các hi n tư ng x y ra t i nơi ti p xúc có th mô t tóm t t như sau: p n − ⊕ p n Ikt Itr Etx utx K tèt Anèt Hình 2.24: M t ghép p- n khi chưa có i n trư ng ngoài Do có s chênh l ch l n v n ng (nn >>np và pp >>pn) t i vùng ti p xúc có hi n tư ng khu ch tán các h t a s qua nơi ti p giáp, xu t hi n 1 dòng i n khu ch tán Ikt hư ng t p sang n. T i vùng lân c n hai bên m t ti p xúc, xu t hi n m t l p i n tích kh i do ion t p ch t t o ra, trong ó nghèo h t d n a s và có i n tr l n (hơn nhi u c p so v i các vùng còn l i), do ó ng th i xu t hi n 1 i n trư ng n i b hư ng t vùng N (l p ion dương ND) sang vùng P (l p ion âm NA ) g i là i n trư ng ti p xúc Etx . Ngư i ta nói ã xu t hi n 1 hàng rào i n th hay m t hi u th ti p xúc Utx. B d y l p nghèo l(0) ph thu c vào n ng t p ch t, n u NA = ND) thì l(0) i x ng qua m t ti p xúc : lon = lop; thư ng NA >>ND nên lon >>lop và ph n ch y u n m bên lo i bán d n pha t p ch t ít hơn (có i n tr su t cao hơn). i n trư ng Etx c n tr chuy n ng c a òng khu ch tán và gây ra chuy n ng gia t c (trôi) c a các h t thi u s qua mi n ti p xúc, có chi u ngư c l i v i dòng khu ch tán. Quá trình này ti p di n s d n 21