bài giảng điện tử công nghiệp, chương 4 docx

1 Vùng d ẫ n Vùng hóa t r ị Chương 4: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ 2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N 2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp ch ấ t a - Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh t h ể Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này b ị suy biến thành những dải gốm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh t h ể . Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có b ị điện tử chiếm ch ỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau: - Vùng hóa tr ị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đ ã b ị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. - Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay ch ỉ b ị chiếm chỗ một ph ầ n . - Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chi ế m chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. Tùy theo v ị trí tương đổi giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn đ i ệ n của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 0 0 K) thể hi ệ n trên hình 2.1. Vùng d ẫ n Vùng d ẫ n Vùng cấm Eg 0 < Eg ≤ 2eV Vùng hóa t r ị a) Vùng hóa t r ị b) c) 2 Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng l ư ợ ng al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg ≤ 2eV; c) Chất dẫn đ i ệ n Chúng ta đã biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng t h ờ i : quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuy ể n động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường. Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn t ạ p chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt dẫn tự do trong mạng tinh t h ể . 3 b- Chất bán dẫn t hu ầ n Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúc vùng năng lượng dạng hình 2.1b với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV, thuộc nhóm b ố n bảng tuần hoàn Mendeleep. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng có dạng hình 2.2a với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hóa tr ị vành ngoài. Ở 0 K chúng là các chất cách điện. Khi được một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh từng cặp hạt dẫn tự do: điện t ử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại 1 liên kết b ị khuyết (lỗ t r ố ng) . Trên đồ th ị vùng năng lượng như hình 2.2b, điều này tương ứng với sự chuyển đ i ệ n tử từ 1 mức năng lượng trong vùng hóa tr ị lên 1 mức trong vùng dẫn để lại 1 mức t ự do (trống) trong vùng hóa tr ị . Các cặp hạt dẫn tự do này, dưới tác dụng của 1 t r ườ ng ngoài hay một Gradien nồng độ có khả năng d ị ch chuyển có hướng trong lòng tinh t h ể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn t hu ầ n . Si Si Si V ï n g d É n n i Si Si + Si 1,12eV Si Si Si p i V ï n g h o ¸ t r Þ a) b) Hình 2.2: a) Mạng tinh thể một chiều của Si. b) Cấu trúc vùng năng l ư ợ ng Kết quả là: 1) Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thích đủ lớn E kt ≥ E g 4 2) Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau do qúa trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra (ni = Pi). c - Chất bán dẫn tạp chất loại n Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độ khoảng 10 10 đến 10 18 nguyên tử/cm 3 . Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện t ử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dạng b ị ion hóa nhờ một nguồn năng l ượ ng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất – điện tử tự do. Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt dẫn giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xẩy ra nhưng với mức độ yếu hơn. Trên đồ th ị vùng năng lượng, các mức năng lượng tạp chất loại này (gọi là 5 tạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên trong vùng cấm, nằm sát đ áy vùng dẫn ( khoảng cách vài % eV). V ï ng d É n V ï ng d É n ⊕ ⊕ Møc t ¹ p ch Ê t l o ¹ i n Møc t ¹ p ch Ê t l o ¹ i p − − V ï ng h o ¸ tr Þ a) V ï ng h o ¸ tr Þ b) Hình 2.3: Đồ th ị vùng năng lượng a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p Kết quả là trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion dương của tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không bằng nhau tạo ra: đ i ệ n tử được gọi là loại hạt dẫn đa số có nồng độ là n n , lỗ trống - loại thiểu số có nồng độ p n (chênh nhau nhiều cấp: n n >>p n ). d - Chất bán dân tạp chất loại p Nếu tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm 3 bảng tuần hoàn Mendeleep vào tinh thể chất bán dẫn thuần ta được chất bán dẫn tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu là nguyên tử tạp chất thiếu một điện tử vành ngoài nên liên kết hóa tr ị (ghép đôi) b ị khuyết, ta gọi đó là lỗ trống liên kết, có khả năng nhận điện tử, khi nguyên tử tạp ch ấ t b ị ion hóa sẽ sinh ra đồng thời 1 cặp: ion âm tạp chất - lỗ trống tự do. Mức n ă ng lượng tạp chất loại p nằm trong vùng cấm sát đ ỉ nh vùng hóa tr ị (Hình 2.3b) cho phép giải thích cách sinh hạt dẫn của chất bán dẫn loại này. Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tồn tại nhiêu ion âm tạp chất có tính chất đ ị nh xứ từng vùng và dòng điện trong chật bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương đương nhau: l ỗ trống được gọi là các hạt dẫn đa số, điện tử hạt thiểu số, với các nồng độ tương ứ ng là p p và n p (p p >>n p ). 6 e- Vài hiện tượng vật lí thường g ặ p Cách sinh hạt dẫn và tạo thành dòng điện trong chất bán dẫn thường liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lí sau: Hiện tượng ion hóa nguyên tử (của chất tạp chất) là hiện tượng gắn liền với quá trình năng lượng của các hạt. Rõ ràng số hạt sinh ra bằng số mức năng lượng b ị chiếm trong vùng dẫn hay số mức b ị trống trong vùng hóa tr ị . Kết quả của vật lý t h ố ng kê lượng tử cho phép tính nồng độ các hạt này dựa vào hàm thống kê Fermi – Dirac: 7 D p i E m ax n = ∫ N(E)F(E)dE E C E V p = ∫ N(E)F(E)dE E min (2-1) với n,p là nòng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa tr ị . E c là mức năng lượng của đáy vùng d ẫ n, E v là mức năng lượng của đ ỉ nh vùng hóa tr ị , E max là trạng thái năng lượng cao nhất của điện t ử , E min là trạng thái năng lượng thấp nhất của lỗ tr ố ng, N (E) là hàm mật độ trạng thái theo năng l ượ ng, F (E) là hàm phân bố thống kê hạt theo năng l ượ ng. Theo đó người ta xác đ ị nh đ ượ c: n = N exp( − E c − E F ) p = N exp( E F − E V ) (2-2) c K T V KT với N c , N v là mật độ trạng thái hiệu dụng trong các vùng tương ứng E F là mức thế hóa học (mức Fermi). Kết quả phân tích cho phép có các kết luận chủ yếu sau: • Ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ hai loại hạt dẫn là một hằng số (trong bất kì chất bán dẫn loại nào) n n . p n = p p n p = n i p i = n i 2 = N C N V exp( - E g /KT ) = const (2-3) nghĩa là việc tăng nồng độ 1 loại hạt này luôn kèm theo việc giảm nồng độ tương ứ ng loại hạt kia. Trong chất bán dẫn loại n có n n > > n i >>p p do đó số điện tử tự do luôn bằng s ố lượng ion dương tạp chất: n n = N + . Tương tự, trong chất bán dẫn loại p có p >> n 8  >> n p ) do đó số lỗ trống luôn bằng số lượng ion âm tạp chất: p p = N A - - Hiện tượng tái hợp của các hạt d ẫ n Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân bằng nhiệt động học của hệ h ạ t (n.p ≠ n i 2 ). Khi đó người ta thường quan tâm tới số gia tăng nồng độ của các hạt thi ể u số vì chúng có vai trò quyết đ ị nh tới nhiều cơ chế phát sinh dòng điện trong các d ụ ng cụ bán dẫn. Hiện tượng tái hợp hạt dẫn là quá trình ngược lại, liên quan tới các chuyển dời điện tử từ mức năng lượng cao trong vùng dẫn về mức thấp hơn trong vùng hóa tr ị . Hiện tượng tái hợp làm mất đi đồng thời 1 cặp hạt dẫn và đưa hệ hạt v ề lại 1 trạng thái cân bằng m ớ i. Khi đó, trong chất bán dẫn loại n, là sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong đ i ề u kiện nồng độ điện tử cao:  t  ∆p(t) = ∆ p(0)exp  −  τ  (2-4)  p  Ở đây: ∆ p( t ) là mức giảm của lỗ trống theo thời gian. 20 ∆ p(0) là số lượng lỗ trống lúc t = 0 (có được sau 1 quá trình sinh h ạ t ) τ p là thời gian sống của lố trống trong chất bán dẫn loại n (là khoảng thời gian trong đó nồng độ lỗ trống dư giảm đi e l ầ n) ∆ n( t ) = ∆ n(o)exp(- t/ τ p ) (2-5) Các thông số τ p và τ n quyết đ ị nh tới các tính chất tần số (tác động nhanh) của các dụng cụ bán dẫn. Dưới tác dụng của điện trường, hạt dẫn tự do chuyển động đ ị nh hướng có gia tốc tạo nên 1 dòng điện (gọi là dòng trôi) với vận tốc trung bình t ỉ lệ v ớ i cường độ E của t r ườ ng : v tb =µE Suy ra v tbn = - nµ n E (2-6) v tbp = µ p E Trong đó µ p, µ n là các hệ số t ỉ lệ gọi là độ linh động của các hạt dẫn tương ứ ng (với chất bán dẫn tạp chất chế tạo từ Ge có µ n = 3800 cm 2 / V.s ; µ p = 1800 cm 2 /V.s, từ Si có µ n = 1300 cm 2 /V.s ; µ p = 500cm 2 /V.s). Từ đó, mật độ dòng trôi gồm hai thành ph ầ n : I trôin = - q . n . v tbn (2=7) với q là điện tích các h ạ t. I trôip = q . p . v tbp hay dòng trôi toàn phần I trôi = I trôin + I trôip I trôi = qE(µ n n + µ p p) (2- 8) - Chuyển động khuếch tán của các hạt d ẫ n Do có sự chênh lệch vế nồng độ theo không gian, các hạt dẫn thực hiện chuy ể n động khuếch tán từ lớp có nồng độ cao tới lớp có nồng độ thấp. Mật độ dòng khu ế ch tán theo phương giảm của nồng độ có d ạ ng : I ktn = q . D n ( - dn/dx ) = q . D n . dn/dx (2-9) 21 n p I ktp = q . D p ( - dp/dx ) = - q . D p . dp/dx (2- 10) với D n và D p là các hệ số t ỉ lệ gọi là hệ số khuếch tán của các hạt tương ứ ng . Người ta chứng minh được các tính chất sau: D = µKT/q = U T . µ (hệ thức Einstein) . Trong đó U T là thế nhiệt (U T ≈ 25mv ở nhiệt đô phòng T = 296 o K) D n τ n = L 2 ; D p τ p = L 2 Trong đó L n’ L p là quãng đường khuếch tán của hạt (là khoảng cách trong đ ó nồng độ hạt khuếch tán giảm đi e lần theo phương khuếch tán) đó cũng chính là quãng đường trung bình hạt d ị ch chuyển khuếch tán được trong thời gian sống c ủ a nó. [...]... dẫn a – Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài Khi cho hai đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc công nghệ với nhau, các hlện tượng vật lí xảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các dụng cụ bán dẫn điện hiện đại Hình 2 .4 biểu diễn mô hình lí tưởng hóa một mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài đặt vào Với giả thiết ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa hoàn toàn... càng chênh lệch nhiều thì tính chất van càng thể hiện rõ • Điện dung tiếp giáp p-n: lớp điện tích khối l0 tương đương như 1 tụ điện gọi là điện dung của mặt ghép p-n: Cpn = Ckt + Crào Trong đó Crào là thành phần điện dung chỉ phụ thuộc vào điện áp ngược (vài phần chục pF) và Ckt là thành phần chỉ phụ thuộc vào điện áp thuận (vài pF) 30 Hình 2.6a: Kí hiệu và dạng đóng gói thực tế của điốt 31 Ở những... tần số thấp • Theo công suất pAcf có loại điốt công suất lớn, công suất trung bình hoặc công suất nhỏ (IAcf < 300mA) • Theo nguyên lý hoạt động hay phạm vi ứng dụng có các loại điôt chỉnh lưu, điôt ổn định điện áp (điôt Zener), điôt biến dung (Varicap), điôt sử dụng hiệu ứng xuyên hầm (điôt Tunen)… Chi tiết hơn, có thể xem thêm trong các tài liệu chuyên ngành về dụng cụ bán dẫn điện Hình2.6b: Điôt... K Anèt tèt Hình 2. 24: Mặt ghép p- n khi chưa có điện trường ngoài Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn >>np và pp >>pn) tại vùng tiếp xúc có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện 1 dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn... điốt 31 Ở những tần số làm việc cao, người ta phải để ý tới ảnh hưởng của Cpn tới các tính chất của mạch điện Đặc biệt khi sử dụng điốt ở chế độ khóa điện tử đóng mở với nhịp cao, điốt cần một thời gian quá độ để hồi phục lại tính chất van lúc chuyển từ mở sang khóa Điện áp mở van UD là giá trị điện áp thuận đặt lên van tương ứng để dòng thuận đạt được giá trị 0,1Imax Người ta phân loại các điốt bán... thông thường - Các tham số giới hạn là: • Điện áp ngược cực đại để điốt còn thể hiện tính chất van (chưa bị đánh thủng): Ungcmax (thường giá trị Ungcmax chọn khoảng 80% giá trị điện áp đánh thủng Uđt) • Dòng cho phép cực đại qua van lúc mở: IAcf 29 • Công suất tiêu hao cực đại cho phép trên van để chưa bị hỏng vì nhiệt: PAcf • Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) đặt lên van để nó còn tính chất van:... trường mạnh Điều này dẫn tới quá trình sinh hạt ồ ạt (ion hóa nguyên tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp tục 28 tăng Dòng điện ngược tăng đột biến và mặt ghép p-n bị phá hỏng • Đánh thủng vì điện do hai hiệu ứng: ion hóa do va chạm giữa hạt thiểu số được gia tốc trong trường mạnh cỡ 105V/cm với nguyên tử của chất bán dẫn thuần thường xảy ra ở các mặt ghép p-n rộng... điện trường nội bộ hướng từ vùng N (lớp ion dương ND) sang vùng P (lớp ion âm NA ) gọi là điện trường 22 tiếp xúc Etx Người ta nói đã xuất hiện 1 hàng rào điện thế hay một hiệu thế tiếp xúc Utx Bề dầy lớp nghèo l(0) phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, nếu NA = ND) thì l(0) đối xứng qua mặt tiếp xúc : lon = lop; thường NA >>ND nên lon >>lop và phần chủ yếu nằm bên loại bán dẫn pha tạp chất ít hơn (có điện. .. • Điện trở 1 chiều của điốt:

U IA + R d = A = ln
1
K UT

I IS I A A (2-13) • Điện trở vi phân (xoay chiều) của điốt: ∂U r = đ AK = ∂I U (2- 14) T I A IA +S Với nhánh UT≈ rdth do IA lớn nên giá trị rd nhỏ và giảm thuận IA nhanh theo mức tăng ≈ của IA; với nhánh UT lớn và ít phụ thuộc vào dòng giá trị rdng rđth và rđngc ngược IS c càng chênh lệch nhiều thì tính chất van càng thể hiện rõ • Điện. .. cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K) b – Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài Có hai trường hợp xảy ra (h 2.5a và b) p − ⊕ n Et p − ⊕ Et n Eng Ik t p − ⊕ n Eng Ikt Hình 2.5: Mặt ghép p-n khi có điện áp phân cực Khi điện trườngnguài (Eng) ngược chiều với Etx (tức là có cực tính dương đặt vào . chủ yếu là nguyên tử tạp chất thiếu một điện tử vành ngoài nên liên kết hóa tr ị (ghép đôi) b ị khuyết, ta gọi đó là lỗ trống liên kết, có khả năng nhận điện tử, khi nguyên tử tạp ch ấ t b ị ion. rõ. • Điện dung tiếp giáp p-n: lớp điện tích khối l 0 tương đương như 1 tụ điện gọi là điện dung của mặt ghép p-n: C pn = C kt + C rào . Trong đó C rào là thành phần điện dung ch ỉ phụ thuộc vào điện áp. chất bán dẫn loại n, là sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong đ i ề u kiện nồng độ điện tử cao:  t  ∆p(t) = ∆ p(0)exp  −  τ  (2 -4)  p  Ở đây: ∆ p( t ) là mức giảm của lỗ trống theo