Bài giảng kỹ thuật điện tử chương 1 nguyễn lý thiên trường

Ch

ng GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN 1.1 Vật liệu bán dẫn Ví duŃ vêĬ nguyên t bán d n Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có electron lớp - Dựa tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện mà vật liệu dẫn điện tốt Hạt nhân nửa liên kết hóa trị - 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 liên kết hóa trị - 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 Liên k t hóa tr tinh thêĵ bán d n Si - Các chất bán dẫn điển Germanium (Ge), Silicium (Si), nguyên tô thuộc nhóm nằm bảng thống tuần hoàn 1.2 Dòng điện chất 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 1.2 Dòng điện chất bán dẫn Gi n đôĬ l
ng Giản đồ vùng lượng số vật liệu - 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 conduction band: vùng dẫn Vùng dẫn vùng lượng electron tự forbidden band: vùng cấm Vùng mà electron mang lượng valence band: vùng hóa trị Vùng hóa trị vùng electron nằm lớp vỏ Nh n xét 1.2.1 Lôį tr ng dòng lôį tr ng - Số electron tự vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ độ dẫn điện vật liệu - Vật liệu bán dẫn tồn dạng hạt dẫn khác electron tự - Nhiệt độ cao lượng electron lớn - Một electron tự xuất đồng thời sinh lỗ trống (hole) - Vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm -Lỗ trống qui ước hạt dẫn mang điện tích dương - Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở 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 Lôį tr ng dòng lôį tr ng 1.2.2 Dòng trôi - Có thể phân tích dòng điện bán dẫn thành hai dòng electron - 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 - 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 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 Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn nội (intrinsic) - Ta có: ni = pi ni: mật đô electron (electron/cm3) - 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 µ n = 0.14 m ( Vs ) µn = 0.38 m ( Vs ) µ p = 0.05 m2 ( Vs ) µ p = 0.18 m2 ( Vs ) pi: mật đô lô trống (lô trống/cm3) Ví duŃ 1-1 1.2.2 Dòng trôi Một hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn - Vận tốc hạt dẫn điện trường E: hình ve Giả sử : v n = E.µ n ni = 1.5 × 1010 electron/cm3 µ n = m Tìm: ( V s ) ; µ p = 0.05 m ( Vs ) Vận tốc electron tự lỗ trống; v p = E.µp Mật độ dòng electron tự lỗ trống; Mật độ dòng tổng cộng; - Mật độ dòng điện J: Dòng tổng cộng bán dẫn J = J n + J p = nqn µ n E + pq p µ p E = nqn + pq p v p Với: J mật độ dòng điện, (A/m2) , E cường đô điện trường(V/m) n, p mật độ electron tự lỗ trống, (hạt dẫn/m3) qn , q p = µn , µ p = , v p = đơn vị điện tích electron = 1.6 × 10 −19 C độ linh động electron tự lỗ trống (m2/Vs) vận tốc electron tự lỗ trống, (m/s) Hướng dẫn M t sôĭ l
u ý Ta có: - Điện trở tính cách dùng công thức: E = U / d = 2.103 V / m v n = E.µn = 2.8 x 10 m / s R=ρ v p = E.µp = 10 m / s Vì vật liệu nên: - Điện dẫn, đơn vị siemens (S), định nghĩa nghịch đảo điện trở, điện dẫn suất, đơn vị S/m, nghịch đảo điện trở suất: pi = ni = 1.5×1010( / cm ) = 1.5 ×1010 / 10 −6 (/ m ) J n = ni qn = 0.672 A / m σ= J p = pi q p v p = 0.24 A / m ( 20 × 10 −3 m )( 20 × 10 ρ - Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn tính theo công thức: J = Jn + Jp = 0.672 + 0.24 = 0.912 A / m2 Tiết diện ngang : l S −3 m ) = × 10 Dòng điện: −4 m σ = nqn µ n + pq p µ p I = J.S = (0.912 A / m2 ).( x 10 −4 m2 ) = 0.365 mA Ví duŃ 1-2 Tính điện dẫn suất điện trở suất bán dẫn ví dụ 1-1 Dùng kết câu để tìm dòng bán dẫn điện áp hai đầu H
ng d n Vì bán dẫn nên: 1.2.3 Dòng khu ch 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) n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /cm3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C σ = n qn µ n + p qp µ p - Dòng khuếch tán có tính chất độ (thời gian tồn ngắn) trừ chênh lệch mật độ trì bán dẫn σ = 56 x 10 − S / m ρ= = 2192 98 Ω m σ R = ρ I= l = 32 98 K Ω S U = 365 mA R 1.2.3 Dòng khu ch tán 1.3 Bán dẫn loại P bán dẫn loại N Bán dẫn (Bán dẫn loại i): Mật độ điện tử tự với mật độ lỗ trống: ni=pi ni: mật độ điện tử tự (electron/cm3) pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3) Điện tử tự có điện tích là: –q Lỗ trống có điện tích là: +q Điện tử tự lỗ trống hạt dẫn tạo dòng điện chuyển động có hướng Cách th c t o bán d n lo i N Tính ch t c a bán d n lo i N Khi toàn nguyên tử tạp chất ion hóa: nd=Nd C u trúc tinh th bán d n ch a m t nguyên t donor H t nhân c a donor ký hi u D nd: nồng độ điện tử tự cung cấp tạp chất donor Nd: nồng độ tạp chất donor nn=Nd+pn nn: tổng nồng độ điện tử tự bán dẫn loại N pn: nồng độ lỗ trống bán dẫn loại N Bán dẫn loại N=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm nn>>pn nn≈Nd nn.pn=ni2 Ví dụ: Si+phosphore, Ge+Asenic ni: mật độ điện tử bán dẫn Tạp chất cung cấp điện tử Nhận xét: bán dẫn loại N hạt dẫn đa số điện tử, hạt dẫn thiểu số lỗ trống tạp chất cho (tạp chất donor) Cách th c t o bán d n lo i P Tính ch t c a bán d n lo i P Khi toàn nguyên tử tạp chất ion hóa: C u trúc tinh th bán d n có ch a m t nguyên t acceptor Nguyên t acceptor đ
c ký hi u A pa=Na pa: nồng độ lỗ trống cung cấp tạp chất acceptor Na: nồng độ tạp chất acceptor pp=Na+np pp: tổng nồng độ lỗ trống bán dẫn loại P np: nồng độ điện tử tự bán dẫn loại P Bán dẫn loại P=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm Ví dụ: Si+Bore, Ge+Indium Tạp chất nhận điện tử tạp chất nhận (tạp chất acceptor) pp>>np pp≈Na np.pp=ni2 ni: mật độ điện tử bán dẫn Nhận xét: bán dẫn loại P hạt dẫn đa số lỗ trống, hạt dẫn thiểu số điện tử Nh n xét Ví duŃ 1-3 - Trong bán dẫn loại N, electron tự hạt dẫn đa số (hoặc hạt dẫn chủ yếu), lỗ trống hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫn thứ yếu) 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 - Trong bán dẫn loại P, lỗ trống hạt dẫn đa số (hoặc hạt dẫn chủ yếu), electron tự hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫn thứ yếu) 16 ( ) µn = 0.14 m 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 2 Hướng dẫn - Trong hầu hết bán dẫn thực tế thì: np = n i 16 ni2 (1.4 × 10 ) = = 2.3 × 1010 electron/m 8.5 × 10 21 p n= Vì p > n nên vật liệu loại P Với: n: mật đô electron p: mật đô lô trống σ = nµnqn + pµ pqp = ( 2.3×1010 ) ( 0.14) (1.6 ×10−19 ) + (8.5×1021 ) ( 0.05) (1.6 ×10−19 ) ni: mật đô electron bán dẫn = 5.152 ×10−10 + 68 ≈ 68 S/m 1.4 Chuyển tiếp PN 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 e D e D e D e D e D e D Bán dẫn loại N 1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN - Hiệu điện tồn hai bên chuyển tiếp gọi hiệu điện hàng rào (barrier) Vtx = V0 = Vγ = -Với: kT  N a N d ln q  ni2    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 acceptor bán dẫn loại P Nd: nồng đô tạp chất donor bán dẫn loại N ni: mật đô hạt dẫn bán dẫn - Để thể phụ thuộc hiệu điện vào nhiệt độ, người ta đưa khái niệm điện nhiệt: N N  kT VT = ⇒ Vtx = V0 = Vγ = VT ln a d  q  ni  1.5 Phân cực chuyển tiếp PN Ví duŃ 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 VT = Áp dụng: với: kT 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:  N N V0 = VT ln a d  ni V0= 0.635 V    1.5 Phân cực chuyển tiếp PN Đ c n Volt-Ampe V Quan h dòng – áp chuy n ti p PN d
i phân c c thu n phân c c ng
c 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN 1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN Có nguyên nhân gây đánh thủng: nhiệt điện - Đánh thủng vê nhiệt xảy sư tích lũy nhiệt vùng nghèo hạt dẫn (Dòng IS tăng gấp nhiệt đô tăng 10°C) - Đánh thủng vê điện phân làm loại: đánh thủng thác lu (avalanching) đánh thủng xuyên hầm (tunnel) - Biên độ dòng ngược V≈VBR (breakdown voltage) tính biểu thức sau: I= IS  V   −   VBR  n với n số xác định từ thực nghiệm Quan hệ diode cho thấy gia tăng đột ngột dòng áp gần đến điện áp đánh thủng 1.7 Ảnh hưởng nhiệt độ đến phân cực Ví duŃ 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 ⇒ m = (diode silicon) ⇒ I = 0.283 mA Ở T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng Is nhân đôi lần, Is 100oC lớn gấp 256 lần Is 20oC: Sự gia tăng nhiệt độ làm cho đặc tuyến dịch sang trái I = 256 ×10 −13 ( e0.55 0.03217 − 1) = 0.681 mA ... 1. 2 x 10 21 donor/m3 Tìm điện nhiệt điện hàng rào 25°C Cho ni = 1. 5 x 10 16 electron/m3 Hướng dẫn VT = Áp dụng: với: kT q T = 25 + 273 = 298°K k = 1. 38 x 10 -23 q = 1. 6 x 10 -19 C VT = 25.7 mV Điện. .. n i 16 ni2 (1. 4 × 10 ) = = 2.3 × 10 10 electron/m 8.5 × 10 21 p n= Vì p > n nên vật liệu loại P Với: n: mật đô electron p: mật đô lô trống σ = nµnqn + pµ pqp = ( 2.3 10 10 ) ( 0 .14 ) (1. 6 10 19 ... = ( 2.3 10 10 ) ( 0 .14 ) (1. 6 10 19 ) + (8.5 10 21 ) ( 0.05) (1. 6 10 19 ) ni: mật đô electron bán dẫn = 5 .15 2 10 10 + 68 ≈ 68 S/m 1. 4 Chuyển tiếp PN 1. 4 Chuyển tiếp PN h h A h h A h A h h A h