bài giảng kỹ thuật điện tử

GIỚI THIỆU MÔN HỌC Tên môn học : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Phân phối giơ : 42 tiết Sô tín : – Kiểm tra: 20% Tài liệu tham khảo : -Theodore F.Bogart, JR - Millman & Taub Thi: 80% (trắc nghiệm) - Electronic devices and Circuits 2nd Ed. , Macmillan 1991 - 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 điện tư NXB Khoa học ky thuật Copyright ® Lê ThiŃ Kim Anh, B môn n t , Khoa Đi n - Đi n t , Trư ng ĐH Bách Khoa TpHCM Chương GIỚI THIỆU VỀ 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 nguyên tử có electron, có khuynh hướng giải phóng electron để tạo thành electron tự đạt đến trạng thái bền vững. - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại electron lớp để có trạng thái bền vững. - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững t m th i cách lấp đầy lớp lớp vỏ cùng. - Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là nguyên tô thuộc nhóm nằm bảng thống tuần hoàn. Ví du vê nguyên tư bán dẫn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có electron lớp cùng. Hạt nhân liên kết hóa trị liên kết hóa trị Liên k t hóa tr tinh thêĵ bán d n Si 1.2 Dòng điện bán dẫn - Trong vật liệu dẫn điện có nhiều electron tự do. - Khi điều kiện môi trường, hấp thu lượng nhiệt electron giải phóng khỏi nguyên tư. - Khi electron chuyển động có hướng sinh dòng điện. - Đối với vật liệu bán dẫn, electron tự sinh cách tương tư. - 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 mô hình nguyên tử dựa lượng nó, thường biểu diễn dạng giản đồ lượng. Giản đô 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. - Các electron lớp bên cần phải nhận lượng lượng lớn trở thành electron tự do. - 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 hơn. - Các electron tự vậy, chúng giải phóng lượng trở lại lớp vỏ nguyên tử. Giản đô 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 toàn vật liệu, nguyên tử chịu ảnh hưởng từ tác động khác bên nguyên tử. Do đó, mức lượng electron lớp lớp không nguyên tử. Giản đồ vùng lượng số vật liệu. Nhận xét - Số electron tự vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ độ dẫn điện vật liệu vậy. - 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. 1.2.1 Lô trống va dòng lô trống - Vật liệu bán dẫn tồn dạng hạt dẫn khác electron tự do. - Một electron tự xuất đồng thời sinh lỗ trống (hole). -Lỗ trống qui ước hạt dẫn mang điện tích dương. -Dòng di chuyển có hướng lô 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. 1.2.1 Lô trống va dòng lô trống - Có thể phân tích dòng điện bán dẫn thành hai dòng electron. - Để tiện lợi ta thường xem dòng điện bán dẫn dòng electron dòng lỗ trống gây ra. - Ta thường gọi electron tự lỗ trống hạt dẫn chúng có khả chuyển động có hướng để sinh dòng điện. - 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 do. Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn nội (intrinsic). - Ta có: ni = pi ni: mật đô eletron (electron/cm3) pi: mật đô lô trống (lô trống/cm3) 1.2.2 Dòng trôi - 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 dòng trôi (drift current). - Dòng trôi 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 m2 ( Vs ) µn = 0.38 m2 ( Vs ) µ p = 0.05 m2 ( Vs ) µ p = 0.18 m2 ( Vs ) Cách thức tạo bán dẫn loại N Cấu trúc tinh thể bán dẫn chứa nguyên tử donor. Hạt nhân donor ký hiệu D. - Nguyên tử tạp chất lúc gọi nguyên tử tạp chất cho (donor). - Các vật liệu sử dụng tạp chất cho donor thông thường antimony, arsenic, phosphorus. - Các electron tạp chất trở thành electron tự vùng dẫn nguyên tử tạp chất trở thành ion dương. Cách th c t o bán d n lo i P Cấu trúc tinh thể bán dẫn có chứa nguyên tử acceptor. Nguyên tử acceptor ký hiệu A. - Nguyên tử tạp chất gọi tạp chất nhận (acceptor). - Vật liệu thường dùng làm tạp chất trường hợp aluminum, boron, gallium, indium. Nhận xét - Trong vật liệu bán dẫn loại N, số lượng electron tự nhiều hẳn so với lỗ trống lỗ trống tồn bán dẫn. - Lượng tạp chất donor lớn, mật độ electron tự cao chiếm ưu so với lượng lỗ trống. - Do đó, bán dẫn loại N, electron tự gọi hạt dẫn đa số (hoặc hạt dẫn chủ yếu), lỗ trống gọi hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫn thứ yếu). - Một mối quan hệ quan trọng mật độ electron mật độ lỗ trống hầu hết bán dẫn thực tế là: i np = n Với: n: mật đô electron p: mật đô lô trống ni: mật đô electron bán dẫn thuần. Ví du 1-3 16 Một silicon có mật độ electron bán dẫn 1.4 × 10 electron/m3 bị kích thích nguyên tử tạp chất mật độ lỗ 21 trống 8.5 × 10 lỗ trống/m3. Độ linh động electron lỗ trống µn = 0.14 m2 ( Vs) µ p = 0.05 m ( Vs ) . 1. Tìm mật độ electron bán dẫn pha tạp chất. 2. Bán dẫn loại N hay loại P? 3. Tìm độ dẫn điện bán dẫn pha tạp chất. Hướng dẫn 1. 1.4 × 10 ) ( n n= = = 2.3 × 1010 electron/m 21 p 8.5 × 10 i 16 2. Vì p > n nên vật liệu loại P. 3. σ = nµnqn + pµpqp = ( 2.3×1010 ) ( 0.14) (1.6×10−19 ) + ( 8.5×1021 ) ( 0.05) (1.6×10−19 ) = 5.152×10−10 + 68 ≈ 68 S/m 1.4 Chuyển tiếp PN h h A h h A h A h h A h A A A h A A Bán dẫn loại P - + - + - + - + - + e D e D e D D e D e D e e D e D Bán dẫn loại N e D 1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN - Hiệu điện tồn hai bên chuyển tiếp gọi hiệu điện hàng rào (barrier). V0 = Vγ -Với:  N AN kT = ln  q n i  D    k: sô Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K T: nhiệt đô tuyệt đối K q: đơn vị điện tích = 1.6 x 10-19 C NA: nồng đô tạp chất aceptor bán dẫn loại P ND: nồng đô tạp chất donor bán dẫn loại N ni: mật đô hạt dẫn bán dẫn thuần. - Để thể phụ thuộc hiệu điện vào nhiệt độ, người ta đưa khái niệm điện nhiệt: vT = kT q N N  ⇒ V0 = Vγ = VT ln A D   ni  Ví du 1-4 Một chuyển tiếp PN tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022 acceptor/m3 bán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm điện nhiệt điện hàng rào 25°C. Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3. Hướng dẫn Áp dụng: với: kT VT = q T = 25 + 273 = 298°K k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10 -19C VT = 25.7 mV Điện thê hàng rào:  NA .ND   V0 = VT . ln  ni  V0= 0.635 V 1.5 Phân cực chuyển tiếp PN - Chuyển tiếp PN phân cực cách dùng nguồn điện áp đặt lên hai đầu chuyển tiếp. Nguồn áp phân cực thuận chuyển tiếp PN. 1.5 Phân cực chuyển tiếp PN 1.5 Phân cực chuyển tiếp PN Đặc tuyến Volt-Ampe V Quan h dòng – áp chuy n ti p PN dư i phân c c thu n phân c c ngư c. 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN Có nguyên nhân gây đánh thủng: nhiệt va điện. - Đánh thủng vê nhiệt xảy sư tích lũy nhiệt vùng nghèo hạt dẫn. (Dòng IS tăng gấp đối nhiệt đô tăng 10°C) - Đánh thủng vê điện phân làm loại: đánh thủng thác lu (avalanching) va đánh thủng xuyên hầm (tunnel) - Biên độ dòng ngược V xấp xỉ VBR (breakdown voltage) tính biểu thức sau: I= IS  V   −   VBR  n với n số xác định từ thực nghiệm. 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN Quan hệ diode cho thấy gia tăng đột ngột dòng áp gần đến điện áp đánh thủng. Sự gia tăng nhiệt độ làm cho đặc tuyến dịch sang trái. Ví du 1-5 Một diode silicon có dòng bão hòa 0.1 pA 20°C . Tìm dòng điện qua phân cực thuận 0,55V. Tìm dòng diode nhiệt độ tăng lên đến 100 °C. Hướng dẫn Ở T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V V > 0.5V ⇒ η = ⇒ I = 0.283 mA Ở T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng nhân đôi lần, gia tăng 256 lần: I = 256 × 10 −13 ( e 0.55 0.03217 − 1) = 0.681 mA . lưu ý - Điện trở có thể được tính bằng cách dùng công thức: - Điện dẫn, đơn vị siemens (S), được định nghĩa là nghịch đảo của điện trở, và điện dẫn suất, đơn vị S/m, là nghịch đảo của điện trở. - Ky thuật điện tư NXB Khoa học ky thuật Copyright ® Lê ThiŃ Kim Anh, B môn đin t, Khoa Đin - Đin t, Trưng ĐH Bách Khoa TpHCM Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN - Dựa trên tính dẫn điện, . liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. - Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng