Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn; Bán dẫn tinh khiết; Bán dẫn tạp chất; Tiếp giáp P-N;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
Chương Vật liệu bán dẫn Giới thiệu chung Vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng lượng nằm hai loại vật liệu cách điện dẫn điện: - Vùng hóa trị bán dẫn hồn tồn lấp đầy điện tử - Độ rộng vùng trống tương đối hẹp ( phải h -> trái - Hiện tượng gọi dẫn điện lỗ trống (hole conduction) - Số lượng e ne = nh Điện dẫn bán dẫn tinh khiết Khi đặt điện áp bán dẫn tinh khiết xuất dịng điện chạy qua Q trình dẫn điện hai loại điện tích điện tử lỗ trống tạo nên Dòng điện tổng cộng chạy chất bán dẫn viết dạng: 59 Chương Vật liệu bán dẫn Do J=nqv, nên cơng thức viết lại thành: Do chất bán dẫn tinh khiết số điện tử số lỗ trống nên ne=nh=n, Sử dụng định luật Ohm ta có: Vì độ linh động μ điện tích đo vận tốc có hướng điện tích đơn vị điện trường: Vì điện dẫn bán dẫn viết dạng: Một số tính chất vật lý Si Ge nhiệt độ phòng Tên bán dẫn Si (silicon) Ge (germani) Độ rộng vùng trống, eV Độ linh động điện tử (μe), m2/Vs 1,06 0,67 0,135 0,39 Độ linh động lỗ trống (μh), m2/Vs 0,048 0,19 Mật độ điện tích (n), /m3 1,5.1016 Điện trở suất (ρ), Ω.m Mật độ vật chất, g/cm3 2300 0,46 2,33 5,32 2,4.1019 60 Vật liệu bán dẫn – Silicon (Si) Chất bán dẫn sử dụng rộng rãi thiết bị điện, điện tử hàng ngày máy tính cá nhân, TV, điện thoại thơng minh, máy ảnh kỹ thuật số, thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn sử rộng dãi ngành công nghiệp bán dẫn Silic (ký hiệu hóa học = Si) Silic nguyên tố phổ biến thứ hai trái đất sau oxy Hầu hết Silic tìm thấy đất đá, chứa nước tự nhiên, cối thực vật Cấu trúc đơn tinh thể cấu trúc nguyên tử xếp cách trật tự không gian ba chiều, đơn vị cách xếp gọi mạng tinh thể Một đơn tinh thể mạng tinh thể trật tự, xếp liên tục Mạng tinh thể Silic có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể kim cương, nguyên tử Silic liên kết với bốn nguyên tử silic gần Silic nguyên tố phổ biến, thường sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn cấu trúc ổn định 61 Chương Vật liệu bán dẫn Bán dẫn tạp chất Do mật độ điện tích bán dẫn tinh khiết nhỏ, dịng điện chạy nhỏ nên ứng dụng chúng hạn chế, bán dẫn tạp chất đời Bán dẫn tạp chất có thành phần chất bán dẫn tinh khiết có trộn thêm loại tạp chất cịn gọi chất kích thích (doping) để tăng đặc tính điện Có hai loại bán dẫn tạp chất bán dẫn tạp chất loại n bán dẫn tạp chất loại p 62 Loại N Phân bố lượng chất bán dẫn loại n •Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị lớn số điện tử hóa trị (4) chất bán dẫn tinh khiết (Germani (Ge) Silic (Si)) •Tạp chất loại gọi chất cho (donor) cho chất bán dẫn điện tử dẫn mà khơng tạo thành lỗ trống vùng hóa trị •Tạp chất loại n thường antimony (Sb), arsenic (As) phosphorous (P) Loại P Phân bố lượng chất bán dẫn loại p •Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị nhỏ số điện tử hóa trị (4) chất bán dẫn tinh khiết •Tạp chất loại cho chất bán dẫn lỗ trống •Tạp chất dùng để tạo loại bán dẫn thường brom, nhôm, gallium indium (Br, Al, Ga,In) 63 Chương Vật liệu bán dẫn Tiếp giáp P-N Một tiếp giáp P-N sau thời điểm ban đầu t0 gần giây, electron tự chất bán dẫn loại N di chuyển, khuếch tán, sang chất bán dẫn loại P làm đầy lỗ trống, điều làm tăng điện tích dương vùng N tăng điện tích âm vùng P Q trình khuếch tán xảy nhanh coi tức thời Một tiếp giáp P-N trạng thái cân •Kết khuếch tán electron từ vùng N đến vùng P tạo vùng trống, vùng trống (khơng có) điện tích •Thế rào chắn tạo giao diện tiếp giáp P-N •Nhưng áp dụng điện áp cho nó, hai điều xảy ra: • Dòng điện xuất phân cực thuận • Khơng có dịng điện phân cực ngược cho tiếp giáp P-N 64 Chương Vật liệu bán dẫn Tiếp giáp P-N Ứng dụng Phân cực thuận Phân cực ngược Đầu tiên cần biết ký hiệu Transistor NPN : Base ký hiệu B hay gọi cực Nền Emitter ký hiệu E hay gọi cực Phát Collector ký hiệu C hay gọi cực Thu Transistor NPN có lớp N – P – N với cực B tương ứng với P nằm E C hai cực nằm hai bên tương ứng với N Nguyên lý hoạt động Transistor PNP tương tự NPN cực tính PNP ngược lại với NPN Sử dụng mạch khuyếch đại 65 Điốt dẫn điện theo chiều từ anode sang cathode Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, muốn có dịng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, cần phải đặt anode điện cao cathode Nếu Diode tốt khơng dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode Thực tế tồn dòng ngược điốt bị phân cực ngược với hiệu điện lớn Mọi điốt chỉnh lưu không dẫn điện theo chiều ngược điện áp ngược lớn (VBR ngưỡng chịu đựng Diode) điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh đốt cháy điốt Vì sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây: •Dịng điện thuận qua điốt khơng lớn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, tra cứu tài liệu hãng sản xuất để xác định) •Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không lớn VBR (ngưỡng đánh thủng điốt, nhà sản xuất cung cấp) 66 - Dòng phân cực ngược nhỏ, điện áp ngược đặt chuyển tiếp PN tăng vượt qua giá trị định dòng ngược tăng đột ngột – tượng đánh thủng 67 Semiconductors in Solar Cells •Để pin mặt trời hoạt động, loại n tiếp xúc với ánh sáng loại p khơng •Tại điểm nối, electron chảy từ n -> p, thiết lập dải điện áp vùng trống, cuối ngăn cản dịng điện tử •Khi photon tác động lên e vùng trống, giải phóng đẩy phía lớp n điện trường E •Điều tạo khác biệt điện áp lớp loại n & p •Kết là, e-thừa loại n chảy vào tiếp điểm điện tạo lưới kim loại mịn thông qua mạch bên để đến lớp loại p để bổ sung cân điện tử tổng thể 68 ... trống (μh), m2/Vs 0,048 0,19 Mật độ điện tích (n), /m3 1,5.1016 Điện trở suất (ρ), Ω.m Mật độ vật chất, g/cm3 230 0 0,46 2 ,33 5 ,32 2,4.1019 60 Vật liệu bán dẫn – Silicon (Si) Chất bán dẫn sử dụng.. .Chương Vật liệu bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Trong chất bán dẫn tinh khiết: - Mỗi e di chuyển lên vùng dẫn để tham gia trình dẫn điện để lại sau lỗ trống vùng hóa trị - Lỗ trống cư xử ion + -. .. tạo loại bán dẫn thường brom, nhôm, gallium indium (Br, Al, Ga,In) 63 Chương Vật liệu bán dẫn Tiếp giáp P-N Một tiếp giáp P-N sau thời điểm ban đầu t0 gần giây, electron tự chất bán dẫn loại