Electronic principles - Chapter 2 pdf

Chương Bán dẫn Từ Vựng (1) • • • • • • ambient temperature=nhiệt độ xung quanh avalanche effect=hiệu ứng đánh thủng barrier potential = rào breakdown voltage=điện áp đánh thủng conduction band= dãy dẫn depletion layer=miền nghèo (hạt dẫn tự do) • diode • Doping = pha tạp chất Từ Vựng (2) • • • • • • • • forward bias = phân cực thuận free electron = điện tử tự Hole = lỗ (trống) junction diode = diode tiếp xúc junction temperature = nhiệt độ tiếp xúc majority carriers = hạt dẫn đa số minority carriers = hạt dẫn thiểu số n-type semiconductor = bán dẫn loại N Từ Vựng (3) • • • • • • • • p-type semiconductor = bán dẫn loại P pn junction = tiếp xúc PN Recombination = tái hợp reverse bias = phân cực ngược Semiconductor = bán dẫn Silicon surface-leakage current = dòng rò bề mặt thermal energy = nhiệt Nội dung chương 2-1 Vật dẫn điện 2-2 Bán dẫn 2-3 Tinh thể Silic 2-4 Bán dẫn nội (bán dẫn thuần) 2-5 Hai loại dòng (hạt dẫn) 2-6 Pha tạp chất vào bán dẫn 2-7 Hai loại bán dẫn ngoại lai (có pha tạp chất) 2-8 Diode chưa phân cực 2-9 Phân cực thuận 2-10 Phân cực ngược 2-11 Đánh thủng 2-12 Các mức lượng 2-13 Đồi lượng 2-14 Rào nhiệt độ 2-15 Diode phân cực ngược 2-1 Vật dẫn điện • Các vật dẫn điện tốt bạc, đồng vàng • Quỹ đạo ổn định • Điện tử hóa trị: điện tử lớp ngồi ngun tử • Điện tử tự dễ dàng sinh vật dẫn điện Đồng 2-2 Bán dẫn • Bán dẫn có tính chất điện chất dẫn điện chất cách điện • Các bán dẫn tốt có điện tử hóa trị • TD: Silicon, Germanium bán dẫn, hai có điện tử hóa trị Nguyên tử Silicon 2-3 Tinh thể Silicon • Khi nguyên tử Si kết hợp lại để tạo thành chất rắn, chúng tự xếp thành khuôn mẫu trật tự gọi tinh thể (crystal) • Mỗi ngun tử Si góp chung điện tử hóa trị với nguyên tử Si kế cận để tạo thành điện tử hóa trị • Liên kết chung nguyên tử gọi liên kết đồng hóa trị (covalent bond) • Bão hịa hóa trị 2-5 Hai loại dịng (điện) • Có loại dịng: điện tử tự lỗ • Điện tử tự lỗ chuyển động ngược chiều có tác động điện trường bên 2-6 Pha tạp chất vào bán dẫn • Tăng độ dẫn điện bán dẫn pha tạp chất (doping) vào bán dẫn • Bán dẫn có pha tạp chất gọi bán dẫn ngoại lai (hay bán dẫn có pha tạp chất) • Pha tạp chất donor (có điện tử hóa trị) để tăng điện tử tự (n > p): bán dẫn N • Pha tạp chất acceptor (có điện tử hóa trị) để tăng lỗ (n< p): bán dẫn P 2-7 Hai loại bán dẫn ngoại lai Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P Hạt dẫn đa số hạt dẫn thiểu số Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P Hạt dẫn đa số Điện tử (n > p) Lỗ (p > n) Hạt dẫn thiểu số Lỗ Điện tử * Ở điều kiện nhiệt, bán dẫn thỏa: np = ni2 2-8 Diode chưa phân cực • Tiếp xúc PN • Gọi VN bên N VP bên P • Ta xét VP - VN =  : chưa phân cực  > : phân cực thuận  < : phân cực ngược  Sự hình thành miền nghèo (xem H.2-13) The PN Junction Steady State1 Na Metallurgical Junction - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ionized acceptors - - P - - - - - Nd - + + + + + + + + + + + + + + + n + + + + + + + Space Charge Region + + + + + + ionized donors + + E-Field + + h+ drift = h+ diffusion _ _ e- diffusion = e- drift Kristin Ackerson, Virginia Tech EE Spring 2002 The PN Junction Metallurgical Junction Na Steady State Nd + + + + + + + + + + + + + + + + + Space Charge Region - - + + + - - - - - - - - - - - - ionized acceptors - - P - - - E-Field + h+ drift h+ diffusion ionized donors _ + = = n e- diffusion _ = = When no external source is connected to the pn junction, diffusion and drift balance each other out for both the holes and electrons e- drift Space Charge Region: Also called the depletion region This region includes the net positively and negatively charged regions The space charge region does not have any free carriers The width of the space charge region is denoted by W in pn junction formula’s Metallurgical Junction: The interface where the p- and n-type materials meet Na & Nd: Represent the amount of negative and positive doping in number of carriers per centimeter cubed Usually in the range of 1015 to 1020 Kristin Ackerson, Virginia Tech EE Spring 2002 2-9 Phân cực thuận 2-10 Phân cực ngược The Biased PN Junction Metal Contact “Ohmic Contact” _ (Rs~0) P + Applied Electric Field n I + _ Vapplied The pn junction is considered biased when an external voltage is applied There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias These are described on then next slide Kristin Ackerson, Virginia Tech EE Spring 2002 The Biased PN Junction Forward Bias: In forward bias the depletion region shrinks slightly in Vapplied > Reverse Bias: Vapplied < width With this shrinking the energy required for charge carriers to cross the depletion region decreases exponentially Therefore, as the applied voltage increases, current starts to flow across the junction The barrier potential of the diode is the voltage at which appreciable current starts to flow through the diode The barrier potential varies for different materials Under reverse bias the depletion region widens This causes the electric field produced by the ions to cancel out the applied reverse bias voltage A small leakage current, Is (saturation current) flows under reverse bias conditions This saturation current is made up of electron-hole pairs being produced in the depletion region Saturation current is sometimes referred to as scale current because of it’s relationship to junction temperature Kristin Ackerson, Virginia Tech EE Spring 2002 2-11 Đánh thủng • Khi ta phân cực ngược diode, tăng áp ngược đến giới hạn xảy đánh thủng (dịng qua diode tăng đột ngột) • Có loại đánh thủng: – Do nhiệt (ít gặp nhiệt độ thường) – Thác lũ (avalanche): ion hóa va chạm – Đường hầm(tunnel) hay Zener 2-12 Các mức lượng • Cần thêm lượng để đưa điện tử vào quỹ đạo cao • Điện tử xa hạt nhân cao • Khi điện tử rơi xuống quỹ đạo thấp hơn, lượng thành dạng nhiệt, ánh sáng hay xạ khác • TD: LED chuyển thành ánh sáng 2-13 Đồi lượng • Dãy lượng sau hình thành miền nghèo: Để điện tử khuếch tán qua tiếp xúc, đường giống qua đồi (năng lượng) Nó phải nhận thêm lượng từ bên ngồi 2-14 Rào nhiệt độ • Tiếp xúc PN vào điều kiện cân rào ngăn khơng cho khuếch tán • Ở 25oC, rào tiếp xúc PN loại Si 0.7V (với Ge 0.3V) • Rào (V γ) phụ thuộc vào điện áp nhiệt, nồng độ hạt dẫn… • Điện áp nhiệt VT=kT/q = 25mV 25oC • Với Si: ∆V/ ∆T = -2mV/ oC 2-15 Diode phân cực ngược • Dịng q độ • Dịng bão hịa ngược IS hay IO , dòng tăng nhiệt độ tăng • Dịng rị bề mặt ... Junction - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ionized acceptors - - P - - - - - Nd - + + + + + + + + + + + + + + + n + + + + + + + Space Charge Region + + + + + + ionized donors + + E-Field... bán dẫn 2- 7 Hai loại bán dẫn ngoại lai (có pha tạp chất) 2- 8 Diode chưa phân cực 2- 9 Phân cực thuận 2- 1 0 Phân cực ngược 2- 1 1 Đánh thủng 2- 1 2 Các mức lượng 2- 1 3 Đồi lượng 2- 1 4 Rào nhiệt độ 2- 1 5 Diode... + + + + + Space Charge Region - - + + + - - - - - - - - - - - - ionized acceptors - - P - - - E-Field + h+ drift h+ diffusion ionized donors _ + = = n e- diffusion _ = = When no external source