Tài liệu tham khảo: Chất bán dẫn

Chia sẻ: Như Hoa | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

351
lượt xem 122
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bán dẫn là chất có cấu trúc nguyên tử tương đối đặc biệt. Các điện tử vành ngoài không dễ dàng tách khỏi hạt nhân như vật liệu dẫn điện nhưng cũng không ràng buộc quá chặt với hạt nhân như vật liệu cách điện. Các loại bán dẫn thông dụng là Ge, Si.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu tham khảo: Chất bán dẫn

1. Chất bán dẫn : Bán dẫn là chất có cấu trúc nguyên tử tương đối đặc biệt. Các điện tử vành ngoài không dễ dàng tách khỏi hạt nhân như vật liệu dẫn điện nhưng cũng không ràng buộc quá chặt với hạt nhân như vật liệu cách điện. Các loại bán dẫn thông dụng là Ge, Si. Với cấu trúc như vậy nên tính dẫn điện của bán dẫn nằm giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện. 1. Người ta chia chất bán dẫn thành 2 loại : bán dẫn loại P và bán dẫn loại N. Chất bán dẫn loại P : là loại vật liệu bán dẫn hầu như không có điện tử tự do. Nó dẫn điện nhờ lỗ trống nên được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P. Trong chất bán dẫn loại P nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử vì vậy lỗ trống được gọi là hạt mang đa số và điện tử là hạt mang thiểu số. Bán dẫn loại N : là loại vật liệu bán dẫn mà hạt mang điện tử rất nhiều, chúng là đa số. Số lượng hạt mang lỗ trống là rất ít nó là tối thiểu. Dẫn điện ở đây chủ yếu dựa vào điện tử nên gọi là bán điện tử hay bán dẫn loại N. Chất bán dẫn sạch : vật liệu bán dẫn thuần khiết được gọi là bán dẫn sạch. Hạt dẫn điện của bán dẫn sạch là điện tử hoặc lỗ trống, Lỗ trống : để làm rõ bản chất lỗ trống ta xem xét cấu trúc của Ge và Si : trong nguyên tử ở vành ngoài cùng chúng đều có 4 điện tử . Si: có 14 điện tử : 2 - 8 - 4 (hoá trị 4) Ge có 32 điện tử : 2 - 8 - 18 - 4 (hoá trị 4)
Khi sắp xếp thành tinh thể, 4 điện tử vành ngoài không những không chịu ảnh hưởng của hạt nhân mà còn liên kết với 4 nguyên tử đứng xung quanh. • Hai nguyên tử cạnh nhau có đôi điện tử góp chung đó là mối liên đồng hoá trị. Xem hình vẽ : • Trong điều kiện nhất định nào đó (nhiệt độ) chuyển động nhiệt đã làm cho một số điện tử thoát khỏi sự ràng buộc của hạt nhân trở thành điện tử tự do và để lại một lỗ trống. • ở lỗ trống, điện tử kế cận rơi vào đó và lại tạo nên lỗ trống mới ở cạnh. Từ đó đã gây nên sự di chuyển của lỗ trống. Sự di chuyển này tương tự như sự di chuyển của hạt nhân mang điện dương. Như vậy, trong chất bán dẫn hạt mang điện là điện tử tự do mang điện âm và lỗ trống mang điện dương . khi có điện áp đặt vào, chuyển động của điện tử tự do và lỗ trống sẽ tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn. Trong quá trình chuyển động có lúc điện tử và lỗ trống tái hợp.
Ở điều kiện nhất định sự phát xạ và sự tái hợp của các điện tử và lỗ trống diễn ra không ngừng nhưng quá trình luôn ở mức cân bằng động nhất định. Bán dẫn pha tạp chất: Chất bán dẫn sạch có điện có điện tử tự do và lỗ trống, tuy nhiên mật độ các hạt mang điện đó là thấp nên khả năng dẫn điện nói chung là kém. Khi pha thêm tạp chất vào bán dẫn sạch, có khả năng làm tăng tính dẫn địen lên rất nhiều nhờ vậy nó có nhêìu ứng dụng quan trọng. Với Si khi pha thêm B: ( bán dẫn loại P ) B là nguyên tố hoá trị 3, có 3 điện tử vành ngoài, khi liên kết đồng hoá trị với Si thì mỗi nguyên tử B sẽ hình thành một lỗ trống . Vì số lượng B pha là nhỏ nên không làm thay đổi cấu trúc cơ bản của tinh thể Si song nó lại làm tăng số lỗ trống lên rất nhiều.
Vật liệu bán dẫn loại này dẫn điện yếu nhờ lỗ trống, vì vậy lỗ trống được gọi là hạt đa số và vật liệu bán dẫn lỗ trống được gọi là bán dẫn loại P. Với Si pha thêm P ( bán dẫn loại N) • Nếu khuyếch tán nguyên tố hoá trị 5 như P vào đơn tinh thể Si thì xảy ra khác hẳn. P có 5 điện tử hoá trị, khi liên kết đồng hoá trị với Si , chỉ 4 điện tử hoá trị của P ghép chung với Si, còn 1 điện tử của P thừa chịu ràng buộc yếu với hạt nhân, nó trở thành điện tử tự do và là hạt dẫn đa số. • Chất bán dẫn này hạt dẫn đa số là điện tử, hạt mang thiểu số là lỗ trống. Chất bán dẫn điện tử gọi là bán dẫn loại N. 2. Lớp tiếp xúc P-N: Khi ghép 2 tấm bán dẫn P và N với nhau. Do nồng độ điện tử và lỗ trống ở 2 tấm khác nhau nên có sự khuyếch tán ngược sang nhau.
Sự khuyếch tán sẽ dừng lại khi hình thành điện trường nội đủ lớn ngăn lại sự chuyển động của điện tử và lỗ trống . Khi có sự cân bằng, ở lớp tiếp xúc hình thành một miền mà ở đó không có điện tích không gian nữa ( điện tử và lỗ trống ), ở đây thiếu các hạy dẫn nên gọi là vùng nghèo kiệt, ở điều kiện thường độ dày vùng nghèo kiệt lớp tiếp xúc này là khoảng vài chục µm. Độ dày này có thể thay đổi tuỳ thuộc điều kiện tác động bên ngoài như nhiệt độ, điện trường ngoài.
Ta khảo lớp tiếp xúc PN khi có tác dụng của điện trường ngoài. • Khi có điện áp thuận đặt vào lớp PN: làm cho vung nghèo kiệt thu hẹp lại. Sự cản trở của vùng nghèo kiệt giảm và tính dẫn điện qua lớp tiếp xúc tăng. Có thể nói: Khi có điện áp thuận đặt vào, điện trở lớp tiếp xúc trở nên rất nhỏ - tính dẫn điện là tốt hơn.
• Khi có điện áp thuận đặt vào lớp PN: Khi có điện trường ngoài cung chiều với điện trường trong vùng nghèo kiệt làm tăng thêm độ rông. Sự cản trở chuyển động các hạt mang tăng lên có thể nói : khi có điện áp ngược đặt vào lớp tiếp xúc tăng lên. 3.2.2.ĐIOD BÁN DẪN:
Cấu tạo : Điốt bán dẫn là một lớp tiếp xúc PN được nối các điện cực và đóng vỏ, các chất bán dẫn thông dụng là Ge ( loại P và N) và Si (loại P và N). Điốt có nhiều loại và được dùng vào nhiều mục đích khác nhau : tần số cao, tần số thấp, công suất lớn, công suất nhỏ, điốt ổn áp... Đặc tuyến Von Ampe của điốt : Sự phụ thuộc dòng điệ qua điốt và hiệu điện thế dặt vào hai đầu điốt được biểu diẽn bởi phát triển phương trình : • I dòng điện qua điốt. • I S Dòng bảo hoà nghịch. • Vt = kt / q đương lượng điện áp của nhiệt độ.
• K = 1,381.10 23 /0 K, biết q = 1,6.1019 C nên vt = 1/1600 • ở T0K=3000K thì vt=26mV Dòng thuận : • Khi có điện áp thuận đặt vào dòng điện phụ thuộc vào điện áp theo dạng hàm mũ . • Khi có điện áp lớn hơn Vo, dòng điện tăng vọt. • Ngưỡng điện áp Vo được gọi là điện áp mở điốt . • Với Si : dòng mở khoản 0,5 V. • Với Ge : điện áp mở khoảng 0,1 V. Dòng nghịch : khi có điện áp nghịch đặt vào điốt dòng qua điốt thường rất nhỏ và không thay đổi theo điện áp và được gọi là dòng ngược của điốt. • Với Si : dòng ngược khoảng nA. • Với Ge dòng ngược khoảng nA. Dòng ngược phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi U ngược tăng đến một giá trị nào đó đủ lớn Vb thì dòng ngược lại tăng vọt. Khi đó ta nói điốt đã bị đánh thủng.
Với đặc tuyến V – A như vậy của điốt cho phép sử dụng điốt như khoá điện tử . Đặc tính đóng mở của điốt : Từ đặc tuyến đóng mở của điốt cho ta thấy, khi V Vo thỡ Diod mới thực sự cho dũng điện tăng vọt, khi đú ta núi diod thực sự thụng. Do vậy ta lấy ngưỡngV0 = 0,7 làm ngưỡng thụng của Diod và Diod trở thành dẫn hoàn toàn. Về mặt cấu trúc, người ta chia Tranzito thành 2 loại NPN và PNP . Tranzito là liên kết bán dẫn có 2 lớp tiếp xúc PN; lớp tiếp xúc Emito và lớp tiếp xúc Colecto. Cấu trúc gồm 3 khu vực là : Emito, Bzo, Colecto. Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn P và Bazo dung bán dẫn loại N. Ta được Tranzito loại NPN.
Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn loại N và Bazo dùng bán dẫn loại P. Ta được Tranzito loại NPN. 3.3.2. ĐẶC TÍNH CHUYỂN MẠCH CỦA TRANZITO: Tranzito là liên kết chuyển mạch ( khoá chuyển mạch ) cơ bản nhất trong điện tử số. Tuỳ theo điện áp vào, Tranzito sẽ ngắt hoặc thông tương tự như khoá chuyển mạch vậy. Với mạch điện trên, khi điện áp vào Vi = 0 khi đó Tranzito ngắt mạch và khi Vi = 3 V khi đó Tranzito tự động thông mạch. Vì vậy Tranzito có chế độ hoạt động đóng mở giống như một khoá chuyển mạch. 1. Điều kiện thông hoà của Tranzito : để đặc trưng cho độ khuyếch đại dòng điện của Tranzito người ta dùng hệ số khuyếch đại dòng được định nghĩa như sau : Với dòng một chiều : I C dòng Colecto, I B dòng Bazo. Với Tranzito đã chế tạo thường sẽ là hệ số xác định, vì vậy có th ể điều chỉnh I bằng cách thay đổi I B C
Với dòng xoay chiều : Núi chung b@ b Về quan hệ điện áp giữa B và C là điện áp thuận với một biến đổi nhỏ của điện áp cho ta một biến đổi lớn của dòng I B và thông qua Tranzito lại có được sự biến đổi lớn của dòng I C . Biến đổi lớn ở dong I C dẫn tới sự sụt áp lớn 2 đầu điện trở R C hay sự biến đổi lớn điện áp Colecto Vc. Nói khác đi, một biến đổi nhỏ về điện áp ở Bazo đã gây ra được một biến đổi lớn về điện áp ở Colecto và Tranzito đã đóng vai trò khuyếch đại điện áp. từ khuyếch đại dòng điện, đã chuyển thành khuyếch đại điện áp. Khi Tranzito thông bão hoà : ta gọi các giá trị của CE : • VCEBn điện áp thông bão hoà của Colecto. • I CBh dòng điện thông bão hoà ở Colecto. • IBBh dòng điện thông bão hoà ở Bazo. Như vậy từ mạch điện ta có thể tính được : Khi thông bão hoà V CEBh rất nhỏ và :
Như vậy điều kiện để Tranzito thông bão hoà là : Với Tranzito Si thì sau khi thông bão hoà ta có : VBE =0,7 V, VCE = 0,3 V 2. Điều kiện ngắt mạch : điều kiện ngắt mach của Tranzito là : VBB
Quá trình mở: Khi đầu vào có xung điện áp biến đổi từ VB1=0.1 V đến VB2. Sự biến đổi của dòng IC không lập lại tức thời như sự biến đổi của điện áp được mà phải sau một thời gian trễ gọi là thời gian mở của ton của Tranzito gồm hai thành phần: Td :thời gian khi bắt đầu có xung VB1 đến khi dòng IC đạt được giá trị ICmax, đó là thời gian chuyển trạng thái. TR : Thời gian dũng IC tăng dần từ 0,1ữ 0,9 ICmax là thời gian cần thiết để tăng trưởng cho đến khi được xem là Tranzito mở hoàn toàn. Vậy: Ton = td + tr Quá trình đóng của Tranzito: Thời gian để dòng IC từ giá trị ICmax trở về 0 được gọi là thời gian tắt:toff. Nó gồm hai phần: TS: là thời gian để dòng IC biến đổi từ ICmax về giá trị=0.9ICmax , thời gian này kéo dài do sự trì trệ tồn trữ các hạt mang điện tích ở lớp tiếp xúc.
TR: là thời gian suy giảm nhanh của dòng IC Từ giá trị 0.9ICmax về giá trị 0.1ICmax trong quá trình giảm dần của dòng IC này, Tranzito cũng đóng dần cho đến khi ngắt hẳn, và ta có: Toff=ts+tr. Nói chung thời gian đóng mở của Tranzito là rất ngắn:ton và toff đều có giá trị cỡ nS;(109S) Mặt khác:toff>ton và ts > tr Như vậy, phần quyết định quan trọng trong thời gian đóng mở toff của Tranzito chính là ts 3.3.3. CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA TRANZITO: Trong quá trình sử dụng, người ta quan tâm nhiều đến một số tham số cơ bản của Trazito đó là: Hệ số khuyếch đại dòng một chiều: Hệ số khuyếch đại tín hiệu (xoay chiều); β có giá trị từ hàng chục đến hàng trăm:
• Hệ số truyền đạt của Tranzito: Điện áp phân cực đặt lên Tranzito được bố trí như hình vẽ: Với loại n.p.n: thì các điện áp phân cực là: UBE>0, UCE
Các tham số giới hạn cần quan tâm: -Dòng Colecto cực đại cho phép: ICmax khi IB, IC tăng thì b không giữ nguyên mà có chiều hướn giảm. Người ta lấy giá trị dòng IC ứng với b=2/3b danh định để làm giá trị ICmax cho phép của Tranzito. -Tranzito công suất nhỏ: ICmax @ mA Tranzito công suất lớn: ICmax @ A -Điện áp đánh thủng: Với các lớp tiếp xúc Emito cà Colecto khi đặt điện áp ngược lên nó đều có giá trị mà ở đó sẽ xảy ra hiện tượng dòng tăng vọt. Ta nói Tranzito đánh thủng. Vì vậy với Tranzito người ta quan tâm đến điện áp đánh thủng VEBO và đẻ việc sử dụng được an toàn. Các sơ đồ mắc Tranzito cơ bản: Tranzito có 3 cực. Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong 3 cực làm vào và cực còn lại cùng với 1 trong 2 cực đầu vào làm đầu ra. Vì vậy người ta chỉ sư dụng Tranzito trong 3 cách mắc cơ bản sau: Chung Emito, chung Bazo, chung Colecto.
E chung Bchung C chung