Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn pdf

GIỚI THIỆU MÔN HỌC Tên môn học : KỸ THUẬT ðIỆN TỬ Phân phối giơ : 42 tiết Sô tín chỉ : 2 – Kiểm tra: 20% Thi: 80% (trắc nghiệm) GV phu trách : Lê Thi Kim Anh Email : ltkanh@hcmut.edu.vn Tài liệu tham khảo : -Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits 2nd Ed. , Macmillan 1991 - Millman & Taub - Pulse digital and switching waveforms McGraw-Hill - Savant, Rodent, Carpenter - Electronic Design – Circuits and Systems - Lê Phi Yến, Nguyễn Như Anh, Lưu Phu - Ky thuật ñiện tư NXB Khoa học ky thuật Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 2 GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN - Dựa trên tính dẫn ñiện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách ñiện mà cũng không phải là vật liệu dẫn ñiện tốt. 1.1 Vật liệu bán dẫn Chương 1 - ðối với vật liệu dẫn ñiện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này ñể tạo thành electron tự do và ñạt ñến trạng thái bền vững. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 3 - Vật liệu cách ñiện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoài cùng của nó ñể có trạng thái bền vững. - Vật liệu bán dẫn, nó có khuynh hướng ñạt ñến trạng thái bền vững tạm thời bằng cách lấp ñầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng. - Các chất bán dẫn ñiển hình như Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là những nguyên tô thuộc nhóm 4 nằm trong bảng hê thống tuần hoàn. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 4 Ví du vê nguyên tư bán dẫn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có 4 electron ở lớp ngoài cùng. một nữa liên kết hóa trị Hạt nhân liên kết hóa trị Liên kết hóa trị trong tinh thê bán dẫn Si Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 5 1.2 Dòng ñiện trong bán dẫn - Trong vật liệu dẫn ñiện có rất nhiều electron tự do. - Khi ở ñiều kiện môi trường, nếu ñược hấp thu một năng lượng nhiệt các electron này sẽ ñược giải phóng khỏi nguyên tư. - Khi các electron này chuyển ñộng có hướng sẽ sinh ra dòng ñiện. - ðối với vật liệu bán dẫn, các electron tự do cũng ñược sinh ra một cách tương tư. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 6 - Tuy nhiên, năng lượng cần ñể giải phóng các electron này lớn hơn ñối với vật liệu dẫn ñiện vì chúng bị ràng buộc bởi các liên kết hóa trị. Giản ñô năng lượng - ðơn vị năng lượng qui ước trong các giản ñồ này là electronvolt (eV). - Một electron khi muốn trở thành một electron tự do phải hấp thu ñủ một lượng năng lượng xác ñịnh. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 7 - Năng lượng này phụ thuộc vào dạng nguyên tử và lớp mà electron này ñang chiếm. - Năng lượng này phải ñủ lớn ñể phá vỡ liên kết hóa trị giữa các nguyên tử. - Thuyết lượng tử cho phép ta nhìn mô hình nguyên tử dựa trên năng lượng của nó, thường ñược biểu diễn dưới dạng giản ñồ năng lượng. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 8 - Các electron cũng có thể di chuyển từ lớp bên trong ñến lớp bên ngoài trong nguyên tử bằng cách nhận thêm một lượng năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng giữa hai lớp. - Ngược lại, các electron cũng có thể mất năng lượng và trở lại với các lớp có mức năng lượng thấp hơn. - Các electron tự do cũng vậy, chúng có thể giải phóng năng lượng và trở lại lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 9 - Khi nhìn trên một nguyên tử, các electron trong nguyên tử sẽ ñược sắp xếp vào các mức năng lượng rời rạc nhau tùy thuộc vào lớp và lớp con mà electron này chiếm. Các mức năng lượng này giống nhau cho mọi nguyên tử. - Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn bộ vật liệu, mỗi nguyên tử còn chịu ảnh hưởng từ các tác ñộng khác nhau bên ngoài nguyên tử. Do ñó, mức năng lượng của các electron trong cùng lớp và lớp con có thể không còn bằng nhau giữa các nguyên tử. Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện tử GV: Lê Thị Kim Anh 10 Giản ñồ vùng năng lượng của một số vật liệu. [...]... bán d n 1.3 Bán d n lo i P va bán d n lo i N - Trong bán d n thu n hay còn g i là bán d n n i t i (intrinsic semiconductor) có m t ñ electron t do b ng v i m t ñ l tr ng Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 27 - Trong th c tê, ngư i ta s t o ra v t li u bán d n trong ñó m t ñ electron l n hơn m t ñ l tr ng ho c v t li u bán d n có m t ñ l tr ng l n hơn m t ñ electron t do - Các v t li u bán. .. hơn m t ñ electron t do - Các v t li u bán d n này ñư c g i là bán d n có pha t p ch t - Bán d n mà electron t do chi ph i ñư c g i là bán d n lo i N, và ngư c l i, bán d n trong ñó l tr ng chi ph i ch y u ñư c g i là bán d n lo i P Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 28 Cách th c t o ra bán d n lo i N - Ngư i ta ñ t vào bên trong bán d n thu n m t nguyên tư t p ch t có 5 ñi n tư l p ngoài... Kim Anh 30 Cách th c t o ra bán d n lo i P - Bán d n lo i P cũng ñư c t o ra b ng cách ñưa vào bán d n thu n m t t p ch t có 3 ñi n tư l p ngoài cùng - Vì v y, trong c u trúc tinh thê bán d n x y ra sư thi u electron va không ñu ñê t o liên k t hóa tr , do ño s xu t hi n lô tr ng bên trong bán d n Càng có nhi u t p ch t thi s có nhi u lô tr ng, chính là bán d n lo i P - Nguyên t t p ch t ñư c g i là... n d n su t c a v t li u bán d n có th ñư c tính theo công th c: σ = nq nµ n + pq pµ p Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 23 Ví du 1-2 1 Tính ñi n d n su t và ñi n tr su t c a thanh bán d n trong ví d 1-1 2 Dùng k t qu c a câu 1 ñ tìm dòng trong thanh bán d n khi ñi n áp trên hai ñ u c a thanh là 12V Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 24 Hư ng d n 1 Vì bán d n thu n nên: n = p... va bán d n ñư c g i là bán d n lo i N - Nguyên t t p ch t lúc này ñư c g i là nguyên t t p ch t cho (donor) Các v t li u ñư c s d ng như t p ch t cho donor thông thư ng là antimony, arsenic, phosphorus Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 29 C u trúc tinh th bán d n ch a m t nguyên t donor H t nhân c a donor ký hi u là D Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 30 Cách th c t o ra bán. .. l tr ng s luôn b ng s lư ng electron t do Bán d n này ñư c g i là bán d n thu n hay bán d n n i t i (intrinsic) Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 14 - Ta có: ni = pi ni: m t ñô eletron (electron/cm3) pi: m t ñô lô tr ng (lô tr ng/cm3) Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 15 1.2.2 Dòng trôi - Khi m t hi u ñi n th ñư c ñ t lên hai ñ u bán d n, ñi n trư ng s làm cho các electron... Kim Anh 31 C u trúc tinh th bán d n có ch a m t nguyên t acceptor Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 32 Nh n xét - Trong v t li u bán d n lo i N, m c dù s lư ng electron t do nhi u hơn h n so v i l tr ng nhưng l tr ng v n t n t i trong bán d n - Lư ng t p ch t donor càng l n, m t ñ electron t do càng cao và càng chi m ưu th so v i lư ng l tr ng - Do ñó, trong bán d n lo i N, electron t do... c a lô tr ng ñư 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 ñ ng nghĩa v i vi c các electron l p v ngoài cùng di chuy n t trái sang ph i - Có th phân tích dòng ñi n trong bán d n thành hai dòng electron: dòng electron tư do va dòng electron l p vo ngoài cùng - Nhưng ñ ti n l i ngư i ta thư ng xem như dòng ñi n trong bán d n là do dòng electron và dòng l tr ng gây... Anh 33 - M t m i quan h quan tr ng gi a m t ñ electron và m t ñ l tr ng trong h u h t các bán d n trong th c t là: 2 i np = n V i: n: m t ñô electron p: m t ñô lô tr ng ni: m t ñô electron trong bán d n thu n Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 34 Ví du 1-3 M t thanh silicon có m t ñ electron trong bán d n thu n là 1.4x1016 electron/m3 b kích thích b i các nguyên t t p ch t cho ñ n khi m... nguyên t t p ch t cho ñ n khi m t ñ l tr ng là 8.5x1021 l tr ng/m3 ð linh ñ ng c a electron và l tr ng là µn=0.14m2/Vs và µp=0.05m2/Vs 1 Tìm m t ñ electron trong bán d n ñã pha t p ch t 2 Bán d n là lo i N hay lo i P? 3 Tìm ñ d n ñi n c a bán d n pha t p ch t Bài gi ng môn K thu t ði n t GV: Lê Th Kim Anh 35 Hư ng d n 2 i ( ) 16 2 n 1.4x10 = = 2.3x1010 electron / m 3 1 n = p 8.5x1021 2 Vì p > n nên . Thị Kim Anh 2 GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN - Dựa trên tính dẫn ñiện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách ñiện mà cũng không phải là vật liệu dẫn ñiện tốt lượng lỗ trống sẽ luôn bằng số lượng electron tự do. Bán dẫn này ñược gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn nội tại (intrinsic). Bài giảng môn Kỹ thuật ðiện