Bài giảng kỹ thuật điện tử chương 1 lê chí thông

12-Sep-10 GIỚI THIỆU MƠN HỌC Tên mơn học : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Phân phối : 45 tiết Số tín : – Kiểm tra: 20%; Thi: 80% (trắc nghiệm) Giáo trình: -Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh - Kỹ thuật điện tử NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM Tài liệu tham khảo: -Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits 2nd Ed , Macmillan 1991 GIẢNG VIÊN Lê Chí Thơng Bộ mơn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử Đại học Bách Khoa TP.HCM ĐT: 0902-445-012 Email: chithong@gmail.com chithong@hcmut.edu.vn Website: sites.google.com/site/thongchile tinyurl.com/thongchile 12-Sep-10 Chương GIỚI THIỆU VỀ CHẤT 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 ngun tử có electron, có khuynh hướng giải phóng electron để tạo thành electron tự đạt đến trạng thái bền vững 1.1 Vật liệu bán dẫn - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại electron lớp ngồi để có trạng thái bền vững - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời cách lấp đầy lớp lớp vỏ - Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), nguyên tố thuộc nhóm nằm bảng hệ thống tuần hồn 12-Sep-10 Ví dụ nguyên tử bán dẫn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có electron lớp ngồi Hạt nhân nửa liên kết hóa trị liên kết hóa trị Liên kết hóa trị tinh thể bán dẫn Si 1.2 Dòng điện bán dẫn - Trong vật liệu dẫn điện có nhiều electron tự - Khi điều kiện môi trường, hấp thu lượng nhiệt electron giải phóng khỏi nguyên tử - Khi electron chuyển động có hướng sinh dịng điện - Đối với vật liệu bán dẫn, electron tự sinh cách tương tự 12-Sep-10 1.2 Dòng điện bán dẫn - 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 mơ hình ngun tử dựa lượng nó, thường biểu diễn dạng giản đồ lượng Giản đồ 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 12-Sep-10 Giản đồ lượng - Các electron lớp bên cần phải nhận lượng lượng lớn trở thành electron tự - 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 - Các electron tự vậy, chúng giải phóng lượng trở lại lớp vỏ nguyên tử Giản đồ lượng Giản đồ vùng lượng số vật liệu 10 12-Sep-10 Giản đồ 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 tồn vật liệu, nguyên tử chịu ảnh hưởng từ tác động khác bên ngồi ngun tử Do đó, mức lượng electron lớp lớp khơng cịn ngun tử 11 Nhận xét - Số electron tự vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ độ dẫn điện vật liệu - 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 12 12-Sep-10 1.2.1 Lỗ trống dòng lỗ trống - Vật liệu bán dẫn tồn dạng hạt dẫn khác electron tự - Một electron tự xuất đồng thời sinh lỗ trống (hole) -Lỗ trống qui ước hạt dẫn mang điện tích dương -Dịng di chuyển có hướng lỗ 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 13 1.2.1 Lỗ trống dịng lỗ trống - Có thể phân tích dịng điện bán dẫn thành hai dòng electron - Để tiện lợi ta thường xem dòng điện bán dẫn dòng electron dòng lỗ trống gây - Ta thường gọi electron tự lỗ trống hạt dẫn chúng có khả chuyển động có hướng để sinh dịng điện 14 12-Sep-10 1.2.1 Lỗ trống dòng lỗ trống - 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 Bán dẫn gọi bán dẫn khiết hay bán dẫn nội (loại i) (intrinsic) - Ta có: ni = pi ni: mật độ eletron (electron/cm3) pi: mật độ lỡ trống (lỡ trống/cm3) 15 1.2.2 Dịng trơi - 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 dịng trơi (drift current) - Dịng trơi 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 m ( Vs ) µn = 0.38 m ( Vs ) µ p = 0.05 m ( Vs ) µ p = 0.18 m ( Vs ) 16 12-Sep-10 1.2.2 Dịng trơi - Trong chuyển động trơi, vận tốc trung bình điện tử lỗ trống tỷ lệ với cường độ điện trường E (hoặc gradien điện thế) gây chuyển động đó: = − µ n E = µ n dϕ dx v p = µ p E = −µ p dϕ dx 17 1.2.2 Dịng trơi - Mật độ dịng điện J: J = J n + J p = nq n µ n E + pq p µ p E = nq n v n + pq p v p Với: J: mật độ dòng điện, (A/m2); E: cường độ điện trường (V/m) n, p: mật độ electron tự lỗ trống, (hạt dẫn/m3) − 19 q n , q p = đơn v in tớch electron = 1.6 ì 10 C n , µ p = độ linh động electron tự lỗ trống (m2/Vs) v n , v p = vận tốc electron tự lỗ trống, (m/s) 18 12-Sep-10 Ví dụ 1-1 Một hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn hình vẽ Giả sử : ni = 1.5 ì 1010 l electron/m3 p = 0 m ( V s ) µ n = m ( V s ) Tìm: Vận tốc electron tự lỗ trống; Mật độ dòng electron tự lỗ trống; Mật độ dòng tổng cộng; Dòng tổng cộng bán dẫn 19 Hướng dẫn Ta có: E = U / d = 10 V / m v n = E µ n = x 10 m / s v p = E µ p = 10 m / s Vì vật liệu nên: p i = n i = x 10 10 ( / cm ) = x 10 10 / 10 − (/ m ) J n = n i q n v n = 672 A / m J p = n i q p v p = 24 A / m 2 J = J n + J p = 672 + 24 = 912 A / m Tiết diện ngang : ( × −3 m )( × − m ) = × − m Dòng điện: I = J.S = ( 912 A / m ).( x 10 − m ) = 365 mA 20 10 12-Sep-10 Một số lưu ý - Điện trở tính cách dùng cơng thức: R =ρ l S - Điện dẫn, đơn vị siemens (S), định nghĩa nghịch đảo điện trở, điện dẫn suất, đơn vị S/m, nghịch đảo điện trở suất: σ= ρ - Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn tính theo cơng thức: σ = nq n µ n + pq p µ p 21 Ví dụ 1-2 Tính điện dẫn suất điện trở suất bán dẫn ví dụ 1-1 Dùng kết câu để tìm dịng bán dẫn điện áp hai đầu 12V 22 11 12-Sep-10 Hướng dẫn Vì bán dẫn nên: n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C σ = n qn µ n + p qp µ p σ = 4.56 x 10 − S / m ρ= = 2192 98 Ωm σ R=ρ I= l = 32.98 KΩ S U = 0.365 mA R 23 1.3.3 Dòng khuếch tán - Nếu bán dẫn có chênh lệch mật độ hạt dẫn hạt dẫn có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi có mật độ hạt dẫn thấp nhằm cân mật độ hạt dẫn - Quá trình di chuyển sinh dòng điện bên bán dẫn Dòng điện gọi dòng khuếch tán (diffusion current) - Dịng khuếch tán có tính chất q độ (thời gian tồn ngắn) trừ chênh lệch mật độ trì bán dẫn 24 12 12-Sep-10 1.3.3 Dòng khuếch tán Mật độ dòng khuếch tán điện tử J n = qDn dn dx Mật độ dòng khuếch tán lỗ trống J p = − qD p dp dx q = 1.6 x 10-19 C Dn: hệ số khuếch tán điện tử (silicon 34 cm2/s) Dp: hệ số khuếch tán lỗ trống (silicon 12 cm2/s) dn/dx: gradient nồng độ điện tử dp/dx: gradient lỗ trống Dn = VT µ n D p = VT µ p kT Điện nhiệt VT = q k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10-19 T: nhiệt độ K = oC + 273 Tại nhiệt độ phòng (20oC), VT ≈ 25 mV 25 Bán dẫn khiết (Bán dẫn loại i) Mật độ điện tử tự với mật độ lỗ trống ni = pi ni: mật độ điện tử tự do(electron/cm3) pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3) •Điện tử tự có điện tích –q •Lỗ trống có điện tích +q • Điện tử tự lỗ trống hạt dẫn chuyển động có hướng Tạo dịng điện 26 13 12-Sep-10 Bán dẫn loại P bán dẫn loại N - Trong thực tế, người ta tạo vật liệu bán dẫn mật độ electron lớn mật độ lỗ trống vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn mật độ electron tự - Các vật liệu bán dẫn gọi bán dẫn có pha tạp chất - Bán dẫn mà electron tự chi phối gọi bán dẫn loại N, ngược lại, bán dẫn lỗ trống chi phối chủ yếu gọi bán dẫn loại P 27 Bán dẫn loại N Cấu trúc tinh thể bán dẫn chứa nguyên tử donor Hạt nhân donor ký hiệu D •Bán dẫn loại N = Bán dẫn + Tạp chất nhóm Vd: Si + Phosphore, Ge + Asenic •Tạp chất cung cấp điện tử Tạp chất cho (tạp chất donor) •Nguyên tử tạp chất bị ion hóa thành ion dương 28 14 12-Sep-10 Bán dẫn loại N nd = Nd nd: Nồng độ điện tử tự do tạp chất cung cấp Nd: Nồng độ tạp chất donor nn = Nd + pn nn: Tổng nồng độ điện tử tự bán dẫn N pn: nồng độ lỗ trống bán dẫn N nn >> pn nn ≈ Nd nnpn = ni2 ni: mật độ điện tử bán dẫn Hạt dẫn đa số điện tử Hạt dẫn thiểu số lỗ trống 29 Bán dẫn loại P Cấu trúc tinh thể bán dẫn có chứa nguyên tử acceptor Nguyên tử acceptor ký hiệu A •Bán dẫn loại P = Bán dẫn + Tạp chất nhóm Vd: Si + Bore, Ge + Indium •Tạp chất nhận điện tử Tạp chất nhận (tạp chất acceptor) •Nguyên tử tạp chất bị ion hóa thành ion âm 30 15 12-Sep-10 Bán dẫn loại P pa = Na pa: Nồng độ lỗ trống tạp chất cung cấp Na: Nồng độ tạp chất acceptor pp = Na + np pp: Tổng nồng độ lỗ trống bán dẫn P np: nồng độ điện tử tự bán dẫn P pp >> np pp ≈ Na nppp = ni2 ni: mật độ điện tử bán dẫn Hạt dẫn đa số lỗ trống Hạt dẫn thiểu số điện tử 31 Ví dụ 1-3 Một silicon có mật độ electron bán dẫn 1.4 × 1016 electron/m3 bị kích thích nguyên tử tạp chất mật độ lỗ trống 8.5 × 10 21 lỗ trống/m3 Độ linh động electron lỗ trống µn = 0.14 m2 ( Vs ) µ p = 0.05 m ( Vs ) Tìm mật độ electron bán dẫn pha tạp chất Bán dẫn loại N hay loại P? Tìm độ dẫn điện bán dẫn pha tạp chất 32 16 12-Sep-10 Ví dụ 1-3 Một silicon có mật độ electron bán dẫn 1.4 × 1016 electron/m3 bị kích thích ngun tử tạp chất mật độ lỗ trống 8.5 × 10 21 lỗ trống/m3 Độ linh động electron lỗ trống µn = 0.14 m2 ( Vs ) µ p = 0.05 m ( Vs ) Tìm mật độ electron bán dẫn pha tạp chất Bán dẫn loại N hay loại P? Tìm độ dẫn điện bán dẫn pha tạp chất Hướng dẫn 16 ni2 (1.4 × 10 ) n= = = 2.3 × 1010 electron/m 21 p 8.5 × 10 Vì p > n nên vật liệu loại P = nànqn + pàpqp = ( 2.3ì1010 ) ( 0.14) (1.6×10−19 ) + (8.5×1021 ) ( 0.05) (1.6×10−19 ) = 5.152×10−10 + 68 ≈ 68 S/m 33 1.4 Chuyển tiếp PN h h A h h A h A h h A h A A A h A A - + - + - + - + - + e D e e D D e e D e D e D D e e D D Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P • Hai khối bán dẫn P N tiếp xúc • Do chênh lệch nồng độ tượng khuếch tán hạt dẫn đa số • Điện tử khuếch tán từ N • Lỗ trống khuếch tán từ P P N Dòng điện khuếch tán với mật độ dòng J = qDn dn dp − qD p dx dx 34 17 12-Sep-10 1.4 Chuyển tiếp PN • Trên đường khuếch tán, điện tích trái dấu tái hợp với vùng hẹp hai bên mặt ranh giới có nồng độ hạt dẫn giảm xuống thấp • Tại vùng đó, bên bán dẫn P ion âm acceptor bên bán dẫn N cịn ion dương donor hình thành hai lớp điện tích trái dấu đối diện chênh lệch hiệu điện điện tiếp xúc Vtx điện trường tiếp xúc Etx • Vùng hẹp gọi vùng nghèo (depletion region) chuyển tiếp P-N (PN junction) • Do Etx tượng trôi hạt dẫn thiểu số • Lỗ trống bán dẫn N chạy cực âm điện trường • Điện tử bán dẫn P chạy cực dương điện trường dịng điện trơi với mật độ dịng J = σEtx = q ( pn µ p + n p µ n ) Etx 35 1.4 Chuyển tiếp PN • Dịng điện trơi ngược chiều với dịng khuếch tán • Nồng độ hạt dẫn đa số hai khối bán dẫn chênh lệch khuếch tán mạnh tái hợp nhiều Etx tăng dịng trơi tăng Sau thời gian ngắn, dịng trơi dịng khuếch tán cân Dòng tổng cộng qua mặt ranh giới khơng: trạng thái cân Khi đó, hiệu điện tiếp xúc có giá trị định Vtx = VT ln pp pn = VT ln N N nn = VT ln a d np  ni    Thông thường Vtx = 0,35 V Ge 0,7 V Si Hiệu điện ngăn cản, không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, trì trạng thái cân bằng, nên gọi “hàng rào điện thế” 36 18 12-Sep-10 Ví dụ 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 1016 electron/m3 37 Ví dụ 1-4 Hướng dẫn Áp dụng: với: VT = kT q T = 25 + 273 = 298°K k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10 -19C VT = 25.7 mV Điện hàng rào:  N N V0 = VT ln  A D  ni V0= 0.635 V    38 19 12-Sep-10 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 39 Phân cực thuận chuyển tiếp PN • P nối cực dương, N nối cực âm • Hàng rào điện giảm Vtx – V Hạt dẫn đa số “tràn qua hàng rào” sang miền đối diện, gọi tượng “phun hạt dẫn” hay “chích hạt dẫn” (injection) • Tình trạng thiếu hạt dẫn vùng nghèo giảm bớt vùng nghèo thu hẹp điện trở vùng giảm bề dày • Dịng điện qua chuyển tiếp PN lớn tăng nhanh theo điện áp Trong đó: V qV  qV  I = I S e mkT − 1 ≈ I S e mkT = I S e mVT   I : dòng qua chuyển tiếp (A) V: điện áp phân cực (V) IS (I0): dòng ngược bão hòa (A) m: hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào vật liệu; 1≤m≤2) VT: điện nhiệt (V) 40 20 12-Sep-10 Phân cực ngược chuyển tiếp PN • P nối cực âm, N nối cực dương • Hàng rào điện tăng thành Vtx + V Hạt dẫn đa số rời xa khỏi mặt ranh giới điện trở tăng vùng nghèo mở rộng • Dịng điện qua chuyển tiếp PN nhỏ nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa IS V thấp  qV  I = I S e mkT − 1 ≈ − I S   Trong đó: I : dòng qua chuyển tiếp (A) V: điện áp phân cực (V) IS (I0): dòng ngược bão hòa (A) m: hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào vật liệu; 1≤m≤2) 41 VT: điện nhiệt (V) Đặc tuyến Vôn-Ampe V Quan hệ dòng – áp chuyển tiếp PN phân cực thuận phân cực ngược 42 21 12-Sep-10 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN Có nguyên nhân gây đánh thủng: nhiệt điện - Đánh thủng nhiệt xảy tích lũy nhiệt vùng nghèo hạt dẫn (Dịng IS tăng gấp đơi nhiệt độ tăng 10°C) - Đánh thủng điện phân làm loại: đánh thủng thác lũ (avalanching) 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 43 - Đánh thủng nhiệt thường gây hậu tai hại, phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu chuyển tiếp P-N - Đánh thủng điện, có biện pháp hạn chế dịng điện ngược cho công suất tiêu tán chưa vượt giá trị cực đại cho phép chuyển tiếp P-N phục hồi đặc tính chỉnh lưu 44 22 12-Sep-10 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 45 Ví dụ 1-5 Một diode silicon có dịng bão hịa 0,1 pA 20°C Tìm dịng điện qua phân cực thuận 0,55V Tìm dịng diode nhiệt độ tăng lên đến 100 °C Hướng dẫn Ở T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V Cho m= ⇒ I = 0.283 mA Ở T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng bão hịa IS nhân đơi lần, nghĩa IS 100OC gấp 256 lần IS 20OC: I = 256 × 10 − 13 ( e 0.55 0.03217 − ) = 0.681 mA 46 23 ... 10 10 electron/m 21 p 8.5 × 10 Vì p > n nên vật liệu loại P σ = nµnqn + pµpqp = ( 2.3? ?10 10 ) ( 0 .14 ) (1. 6? ?10 ? ?19 ) + (8.5? ?10 21 ) ( 0.05) (1. 6? ?10 ? ?19 ) = 5 .15 2? ?10 ? ?10 + 68 ≈ 68 S/m 33 1. 4 Chuyển tiếp... µ p 21 Ví dụ 1- 2 Tính điện dẫn suất điện trở suất bán dẫn ví dụ 1- 1 Dùng kết câu để tìm dịng bán dẫn điện áp hai đầu 12 V 22 11 12 -Sep -10 Hướng dẫn Vì bán dẫn nên: n = p = ni = pi = 1. 5 x 10 6 /m3... điện thế” 36 18 12 -Sep -10 Ví dụ 1- 4 Một chuyển tiếp PN tạo nên từ bán dẫn loại P có 10 22 acceptor/m3 bán dẫn loại N có 1. 2 x 10 21 donor/m3 Tìm điện nhiệt điện hàng rào 25°C Cho ni = 1. 5 x 10 16