12-Sep-10 GIỚI THIỆU MƠN HỌC Tên mơn học : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Phân phối : 45 tiết Số tín : – Kiểm tra: 20%; Thi: 80% (trắc nghiệm) Giáo trình: -Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh - Kỹ thuật điện tử NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM Tài liệu tham khảo: -Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits 2nd Ed , Macmillan 1991 GIẢNG VIÊN Lê Chí Thơng Bộ mơn 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 12-Sep-10 Chương GIỚI THIỆU VỀ CHẤT BÁN DẪN 1.1 Vật liệu bán dẫn - Dựa tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện mà vật liệu dẫn điện tốt - Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngun tử có electron, có khuynh hướng giải phóng electron để tạo thành electron tự đạt đến trạng thái bền vững 1.1 Vật liệu bán dẫn - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại electron lớp ngồi để có trạng thái bền vững - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời cách lấp đầy lớp lớp vỏ - Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), nguyên tố thuộc nhóm nằm bảng hệ thống tuần hồn 12-Sep-10 Ví dụ nguyên tử bán dẫn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có electron lớp ngồi Hạt nhân nửa liên kết hóa trị liên kết hóa trị Liên kết hóa trị tinh thể bán dẫn Si 1.2 Dòng điện bán dẫn - Trong vật liệu dẫn điện có nhiều electron tự - Khi điều kiện môi trường, hấp thu lượng nhiệt electron giải phóng khỏi nguyên tử - Khi electron chuyển động có hướng sinh dịng điện - Đối với vật liệu bán dẫn, electron tự sinh cách tương tự 12-Sep-10 1.2 Dòng điện bán dẫn - Tuy nhiên, lượng cần để giải phóng electron lớn vật liệu dẫn điện chúng bị ràng buộc liên kết hóa trị - Năng lượng phải đủ lớn để phá vỡ liên kết hóa trị nguyên tử - Thuyết lượng tử cho phép ta nhìn mơ hình ngun tử dựa lượng nó, thường biểu diễn dạng giản đồ lượng Giản đồ lượng - Đơn vị lượng qui ước giản đồ electronvolt (eV) - Một electron muốn trở thành electron tự phải hấp thu đủ lượng lượng xác định - Năng lượng phụ thuộc vào dạng nguyên tử lớp mà electron chiếm - Các electron lớp vỏ cần nhận thêm lượng lượng tương đối nhỏ đủ để giải phóng chúng 12-Sep-10 Giản đồ lượng - Các electron lớp bên cần phải nhận lượng lượng lớn trở thành electron tự - Các electron di chuyển từ lớp bên đến lớp bên nguyên tử cách nhận thêm lượng lượng với chênh lệch lượng hai lớp - Ngược lại, electron lượng trở lại với lớp có mức lượng thấp - Các electron tự vậy, chúng giải phóng lượng trở lại lớp vỏ nguyên tử Giản đồ lượng Giản đồ vùng lượng số vật liệu 10 12-Sep-10 Giản đồ lượng - Khi nhìn nguyên tử, electron nguyên tử xếp vào mức lượng rời rạc tùy thuộc vào lớp lớp mà electron chiếm Các mức lượng giống cho nguyên tử - Tuy nhiên, nhìn tồn vật liệu, nguyên tử chịu ảnh hưởng từ tác động khác bên ngồi ngun tử Do đó, mức lượng electron lớp lớp khơng cịn ngun tử 11 Nhận xét - Số electron tự vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ độ dẫn điện vật liệu - Nhiệt độ cao lượng electron lớn - Vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm - Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương 12 12-Sep-10 1.2.1 Lỗ trống dòng lỗ trống - Vật liệu bán dẫn tồn dạng hạt dẫn khác electron tự - Một electron tự xuất đồng thời sinh lỗ trống (hole) -Lỗ trống qui ước hạt dẫn mang điện tích dương -Dịng di chuyển có hướng lỗ trống gọi dòng lỗ trống bán dẫn -Khi lỗ trống di chuyển từ phải sang trái đồng nghĩa với việc electron lớp vỏ di chuyển từ trái sang phải 13 1.2.1 Lỗ trống dịng lỗ trống - Có thể phân tích dịng điện bán dẫn thành hai dòng electron - Để tiện lợi ta thường xem dòng điện bán dẫn dòng electron dòng lỗ trống gây - Ta thường gọi electron tự lỗ trống hạt dẫn chúng có khả chuyển động có hướng để sinh dịng điện 14 12-Sep-10 1.2.1 Lỗ trống dòng lỗ trống - Khi electron tự lỗ trống kết hợp lại với vùng hóa trị, hạt dẫn bị đi, ta gọi trình trình tái hợp hạt dẫn - Việc phá vỡ liên kết hóa trị tạo electron tự lỗ trống, số lượng lỗ trống số lượng electron tự Bán dẫn gọi bán dẫn khiết hay bán dẫn nội (loại i) (intrinsic) - Ta có: ni = pi ni: mật độ eletron (electron/cm3) pi: mật độ lỡ trống (lỡ trống/cm3) 15 1.2.2 Dịng trơi - Khi hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn, điện trường làm cho electron tự di chuyển ngược chiều điện trường lỗ trống di chuyển chiều điện trường - Cả hai di chuyển gây bán dẫn dòng điện có chiều chiều điện trường gọi dịng trơi (drift current) - Dịng trơi phụ thuộc nhiều vào khả di chuyển hạt dẫn bán dẫn, khả di chuyển đánh giá độ linh động hạt dẫn Độ linh động phụ thuộc vào loại hạt dẫn loại vật liệu Silicon Germanium µn = 0.14 m ( Vs ) µn = 0.38 m ( Vs ) µ p = 0.05 m ( Vs ) µ p = 0.18 m ( Vs ) 16 12-Sep-10 1.2.2 Dịng trơi - Trong chuyển động trơi, vận tốc trung bình điện tử lỗ trống tỷ lệ với cường độ điện trường E (hoặc gradien điện thế) gây chuyển động đó: = − µ n E = µ n dϕ dx v p = µ p E = −µ p dϕ dx 17 1.2.2 Dịng trơi - Mật độ dịng điện J: J = J n + J p = nq n µ n E + pq p µ p E = nq n v n + pq p v p Với: J: mật độ dòng điện, (A/m2); E: cường độ điện trường (V/m) n, p: mật độ electron tự lỗ trống, (hạt dẫn/m3) − 19 q n , q p = đơn v in tớch electron = 1.6 ì 10 C n , µ p = độ linh động electron tự lỗ trống (m2/Vs) v n , v p = vận tốc electron tự lỗ trống, (m/s) 18 12-Sep-10 Ví dụ 1-1 Một hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn hình vẽ Giả sử : ni = 1.5 ì 1010 l electron/m3 p = 0 m ( V s ) µ n = m ( V s ) Tìm: Vận tốc electron tự lỗ trống; Mật độ dòng electron tự lỗ trống; Mật độ dòng tổng cộng; Dòng tổng cộng bán dẫn 19 Hướng dẫn Ta có: E = U / d = 10 V / m v n = E µ n = x 10 m / s v p = E µ p = 10 m / s Vì vật liệu nên: p i = n i = x 10 10 ( / cm ) = x 10 10 / 10 − (/ m ) J n = n i q n v n = 672 A / m J p = n i q p v p = 24 A / m 2 J = J n + J p = 672 + 24 = 912 A / m Tiết diện ngang : ( × −3 m )( × − m ) = × − m Dòng điện: I = J.S = ( 912 A / m ).( x 10 − m ) = 365 mA 20 10