Ch¬ng 1: ChÊt b¸n dÉn
Bài gi¶ng m«n Kü thuËt ®iÖn tö
CHƯ Ơ NG 1: CHẤ T BÁN DẪ N
1.1. Sơ lư ợ c về lị ch sử phát triể n củ a ngh ành Điệ n tử
Vào năm 1947, tạ i phòng thí nghiệ m củ a Bell, John Bardeen v à Walter Brattain
đã thành công trong việ c phát minh Transistor lư ỡ ng cự c BJT(Bipolar Junction
Transistor). Đây là mộ t bư ớ c ngoặ t đánh dấ u sự bắ t đầ u củ a thờ i đạ i bán dẫ n. Phát
minh này và mộ t chuỗ i phát triể n củ a công nghệ vi điệ n tử đ ã thậ t sự làm thay đổ i
cuố c số ng loài ngư ờ i.
1948 Transistor đầ u tiên ra đờ i. Đây là mộ t cuộ c Cách mạ ng củ a ngành điệ n tử .
1950 Mạ ch điệ n tử chuyể n sang dùng transistor
Hệ máy tính dùng linh kiệ n bán dẫ n dạ ng rờ i rạ c ra đờ i (thế hệ II)
1960 Mạ ch tích hợ p ra đờ i (IC:Intergrated Circuit)
Hệ máy tính dùng IC ra đờ i(thế hệ III)
1970 Các mạ ch tích hợ p mậ t độ cao h ơ n ra đờ i (MSI, LSI, VLSI)
MSI: Medium Scale Intergrated Circuit
LSI: Large Scale Intergrated Circuit
VSI:Very Large Scale Intergrated Circuit
1980 đế n nay Điệ n tử đư ợ c ứ ng dụ ng rộ ng rãi trong các lãnh vự c như y tế , điề u
khiể n tự độ ng, phát thanh, truyề n h ình…
1.2. Linh kiệ n điệ n tử :
Ta xét hai loạ i linh kiệ n cơ bả n sau:
Linh kiệ n thụ độ ng:
Có các thông số không đổ i dư ớ i tác dụ ng dòng điệ n: điệ n trở , tụ , cuộ n cả m…
Linh kiệ n tích cự c:
Có các thông số thay đổ i dư ớ i tác dụ ng dòng điệ n: Diod, Transistor lư ỡ ng cự c
BJT( Bipolar Junction Transistor):…
1.3. Chấ t bán dẫ n:
1.3.1.Chấ t bán dẫ n thuầ n:
Hình 1.1. Giả n đồ năng lư ợ ng củ a Si
Vùng cấ m
Vùng dẫ n củ a Si
Năng lư ợ ng
Vùng hoá trị củ a Si
Ch¬ng 1: ChÊt b¸n dÉn
Bài gi¶ng m«n Kü thuËt ®iÖn tö
Hai chấ t bán dẫ n tiêu biể u là: Silicon(Si) và Ge(Germanium).
Si là chấ t bán dẫ n mà tạ i nhiệ t độ phòng có rấ t ít e ở vùng dẫ n trong mạ ng tinh
thể . Vì dòng điệ n tỷ lệ vớ i số lư ợ ng e nên dòng điệ n trong tinh thể rấ t nhỏ . Ở nhiệ t
độ phòng, e ở vùng hoá trị nhả y lên vùng dẫ n để lạ i lỗ trố ng tạ i vị trí chứ a nó
mang điệ n tích dư ơ ng. Hiệ n tư ợ ng này gọ i là sự phát sinh điệ n tử -lỗ trố ng.
Hình 1.2. Sự di chuyể n củ a điệ n tử v à lỗ trố ng trong Si khi có nguồ n điệ n
Nế u đặ t nguồ n điệ n nh ư hình vẽ thì e di chuyể n về cự c dư ơ ng củ a nguồ n. E ở
vùng hoá trị cũng có thể di chuyể n về cự c d ư ơ ng củ a nguồ n nế u nó có đủ năng
lư ợ ng để từ mứ c năng lư ợ ng củ a nó lên mứ c năng lư ợ ng củ a lỗ trố ng. Khi e n ày
nhậ p vào lỗ trố ng thì nó để lạ i mộ t lỗ trố ng ở phía sau. V ì thế làm lỗ trố ng di
chuyể n về cự c âm củ a nguồ n. D òng điệ n trong chấ t bán dẫ n là tổ ng 2 thành phầ n:
dòng do e trong vùng dẫ n và dòng do lỗ trố ng trong vùng hoá trị . E di chuyể n về
cự c dư ơ ng nhanh hơ n lỗ trố ng di chuyể n về cự c âm v ì khả năng e có đủ năng
lư ợ ng cầ n thiế t để nhả y l ên vùng dẫ n lớ n hơ n khả năng e có đủ năng lư ợ ng để
nhả y đế n vị trí trố ng trong v ùng hóa trị . Vì vậ y dòng e lớ n hơ n dòng lỗ trố ng trong
Si. Tuy nhiên dòng này vẫ n nhỏ nên Si là cách điệ n.
1.3.2 Chấ t bán dẫ n tạ p:
1.3.2.1. Chấ t bán dẫ n tạ p loạ i N
Hình 1.3. Giả n đồ năng lư ợ ng củ a chấ t bán dẫ n tạ p loạ i N
Năng lư ợ ng
Vùng hoá trị củ a Si
Mứ c năng lư ợ ng củ a
tạ p chấ t donor
Vùng dẫ n củ a Si
V
Vùng dẫ n củ a Si
Vùng hoá trị củ a Si
E
Si
Ch¬ng 1: ChÊt b¸n dÉn
Bài gi¶ng m«n Kü thuËt ®iÖn tö
Chấ t bán dẫ n tạ p loạ i N là chấ t bán dẫ n có đư ợ c khi pha thêm mộ t chấ t
thuộ c nhóm V trong bả ng hệ thố ng tuầ n ho àn Mendeleep vào chấ t bán dẫ n thuầ n.
Ta xét trư ờ ng hợ p pha tạ p P vào chấ t bán dẫ n thuầ n Si. Điề u n ày tư ơ ng ứ ng làm
xuấ t hiệ n mứ c năng lư ợ ng củ a tạ p chấ t donor sát đáy v ùng dẫ n. Vì thế ở nhiệ t độ
phòng các e củ a nguyên tử P nhả y lên vùng dẫ n củ a Si. Vì vậ y nguyên tử tạ p chấ t
dễ bị ion hoá thành ion dư ơ ng. Ngoài ra cơ ch ế phát sinh cặ p hạ t dẫ n điệ n tử –lỗ
trố ng xả y ra giố ng như cơ chế ở chấ t bán dẫ n thuầ n vớ i mứ c độ yế u h ơ n vì mứ c
năng lư ợ ng củ a tạ p chấ t donor ở sát đáyv ùng dẫ n.
Gọ i nn: mậ t độ điệ n tử trong vùng dẫ n, pn: mậ t độ lỗ trố ng trong vùng hoá
trị , thì nn>>pn.Vậ y dòng điệ n trong chấ t bán dẫ n loạ i N chủ yế u do điệ n tử tạ o n ên
gọ i là hạ t dẫ n đa số , còn lỗ trố ng gọ i là hạ t thiể u số .
1.3.2.2. Chấ t bán dẫ n tạ p loạ i P:
Chấ t bán dẫ n tạ p loạ i P là chấ t bán dẫ n có đư ợ c khi pha thêm mộ t chấ t
thuộ c nhóm III trong bả ng hệ thố ng tuầ n ho àn Mendeleep vào chấ t bán dẫ n thuầ n.
Ta xét trư ờ ng hợ p pha tạ p các nguyên tử As vào chấ t bán dẫ n thuầ n Si. Điề u n ày
tư ơ ng ứ ng làm xuấ t hiệ n mứ c năng lư ợ ng gọ i là mứ c tạ p chấ t acceptor sát đỉ nh
vùng hoá trị . Vì vậ y nguyên tử tạ p chấ t dễ bị ion hoá th ành ion âm . Ngoài ra cơ
chế phát sinh cặ p hạ t dẫ n điệ n tử –lỗ trố ng xả y ra giố ng nh ư cơ chế ở chấ t bán dẫ n
thuầ n vớ i mứ c độ yế u hơ n vì mứ c tạ p chấ t loạ i P ở sát đỉ nh v ùng hoá trị .
Gọ i np: mậ t độ điệ n tử trong vùng dẫ n.
Gọ i pp: mậ t độ lỗ trố ng trong vùng hoá trị ., thì np>>pp
Vậ y dòng điệ n trong chấ t bán dẫ n loạ i P chủ yế u do lỗ trố ng tạ o n ên gọ i là
hạ t dẫ n đa số , còn điệ n tử gọ i là hạ t thiể u số .
Hình 1.4. Giả n đồ năng lư ợ ng củ a chấ t bán dẫ n tạ p loạ i P
1.4.Tiế p xúc p-n:
Vùng hoá trị củ a Si
Mứ c tạ p chấ t acceptor
Năng lư ợ ng
Vùng dẫ n củ a Si
Ch¬ng 1: ChÊt b¸n dÉn
Bài gi¶ng m«n Kü thuËt ®iÖn tö
Cho lớ p bán dẫ n p, n tiế p xúc nhau, ta có tiế p xúc p -n.
1.4.1. Nguyên lý làm việ c:
1.4.1.1. Khi tiế p xúc p-n chư a đư ợ c phân cự c:
Do có sự chênh lệ ch lớ n về nồ ng độ (nn>>np, pp>>pn) nên có hiệ n tư ợ ng
khuế ch tán các hạ t dẫ n đa số qua n ơ i tiế p xúc, tạ o nên dòng khuế ch tán Ikt hư ớ ng
từ miề n P sang miề n N.
Tạ i vùng lân cậ n hai bên mặ t tiế p xúc xuấ t hiệ n điệ n tr ư ờ ng nộ i Etx hư ớ ng
từ vùng N sang vùng P (do ion t ạ p chấ t tạ o ra). Nó cả n trở chuyể n độ ng củ a dòng
khuế ch tán và gây ra dòng trôi Itr củ a các hạ t thiể u số có chiề u từ N sang P qua
mặ t tiế p xúc làm Itr tăng, Ikt giả m.
Quá trình này tiế p diễ n cho đế n khi đạ t đế n trạ ng thái cân bằ ng độ ng. Lúc
đó Ikt=Itr., dòng qua tiế p xúc bằ ng 0, hiệ u thế tiế p xúc l à 0.1V đố i vớ i Ge và 0.4 V
đố i vớ i Si
1.4.1.2. Khi tiế p xúc p-n đư ợ c phân cự c nghị ch :
Hình 1.5. Tiế p xúc p-n bị phân cự c nghị ch
Điệ n trư ờ ng nộ i cùng chiề u vớ i điệ n trư ờ ng ngoài nên tổ ng điệ n trư ờ ng tạ i
vùng tiế p xúc tăng làm cho vùng tiế p xúc mở rộ ng ra, dòng khuế ch tán giả m về 0,
Etx
K
+
A
_
-
Eng
P N
V
+
+
+
-
-
-
Điệ n trư ờ ng
Vùng nghèo
p
n
Ch¬ng 1: ChÊt b¸n dÉn
Bài gi¶ng m«n Kü thuËt ®iÖn tö
dòng trôi do Etx gây ra tăng đế n mộ t giá trị gọ i là dòng ngư ợ c bão hoà IS. Dòng
này rấ t nhỏ .
Vậ y khi phân cự c nghị ch tiế p xúc th ì không có dòng chạ y qua (xem dòng
bão hoà ngư ợ c bằ ng không).
1.4.1.3. Khi tiế p xúc đư ợ c phân cự c thuậ n :
Hình 1.6. Tiế p xúc p-n đư ợ c phân cự c nghị ch
Điệ n trư ờ ng nộ i ngư ợ c chiề u vớ i điệ n trư ờ ng ngoài nên tổ ng điệ n trư ờ ng tạ i
vùng tiế p xúc giả m làm cho vùng tiế p xúc bị thu hẹ p lạ i, các hạ t đa số dễ dàng di
chuyể n qua vùng tiế p xúc này, dòng khuế ch tán có chiề u từ A đế n K tăng mạ nh,
dòng trôi do Etx gây ra không đáng kể .
Vậ y khi phân cự c thuậ n tiế p xúc th ì có dòng chạ y qua tiế p xúc p-n, nó quan
hệ vớ i điệ n áp giữ a hai đầ u tiế p xúc nh ư sau:
11 T
D
DV
v
S
v
kT
q
SD eIeIi
Trong đó:
vD: Điệ n áp ở hai đầ u tiế p xúc.
IS: dòng bão hoà ngư ợ c.
k: hằ ng số Boltman
k =1,38.10-23J/0K.
q: điệ n tích củ a hạ t dẫ n, q=1,6.10 -19C
VT: thế nhiệ t
ở nhiệ t độ phòng VT= 25,5mV.
K
_
A
+
-
Eng
Etx
P N
V