Bài giảng môn kĩ thuật điện tử c

Chương GIỚI THIỆU MÔN HỌC GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN 1.1 Vật liệu bán dẫn Tên môn học : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C Phân phối giơ : 60 tiết Sơ tín : – Kiểm tra: 20% GV phu trách : Lê Thi Kim Anh phải vật liệu cách điện mà vật Email : ltkanh@hcmut.edu.vn liệu dẫn điện tốt - Electronic devices and Circuits 2nd Ed , Macmillan 1991 - Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ Tài liệu tham khảo : -Theodore F.Bogart, JR - Millman & Taub - Dựa tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn khơng Thi: 80% (trắc nghiệm) ngun tử có electron, có khuynh hướng - Pulse digital and switching waveforms McGraw-Hill giải phóng electron để tạo thành electron tự - Savant, Rodent, Carpenter - Electronic Design – Circuits and Systems đạt đến trạng thái bền vững - Lê Phi Yến, Nguyễn Như Anh, Lưu Phu - Ky thuật điện tư NXB Khoa học ky thuật Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Ví du vê nguyên tư bán dẫn Silicon (Si) Nguyên tử bán dẫn Si, có electron lớp ngồi - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại electron lớp ngồi để có trạng thái bền vững Hạt nhân - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến liên kết hóa trị trạng thái bền vững tạm thời cách lấp đầy lớp liên kết hóa trị lớp vỏ ngồi Lúc chất bán dẫn khơng có điện tích tư va khơng dẫn điện Liên kết hóa trị tinh thê bán dẫn Si - Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là ngun tơ thuộc nhóm nằm bảng thống tuần hồn Bài giảng mơn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 1.2 Dòng điện bán dẫn - Tuy nhiên, lượng cần để giải phóng electron - Trong vật liệu dẫn điện có nhiều electron tự lớn vật liệu dẫn điện chúng bị ràng - Khi điều kiện mơi 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh buộc liên kết hóa trị Giản 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 - 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh - 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 diễn dạng giản đồ lượng phóng lượng trở lại lớp vỏ ngồi nguyên tử Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh - 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, ngun tử chịu ảnh hưởng từ tác động khác bên ngồi ngun tử Do đó, mức lượng electron lớp lớp khơng ngun tử Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Giản đồ vùng lượng số vật liệu Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 10 1.2.1 Lô trống va dòng lơ trống 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 11 - 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 12 - Dòng di chuyển có hướng lơ 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 - Có thể phân tích dòng điện bán dẫn thành hai dòng electron: dòng electron tư va dòng electron lớp vo - Nhưng để tiện lợi người ta thường xem dòng điện bán dẫn dòng electron dòng lỗ trống gây Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh - 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- bán dẫn loại i) 13 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 14 1.2.2 Dòng trơi - Ta có: - Khi hiệu điện đặt lên hai đầu bán ni = pi dẫn, điện trường làm cho electron tự di chuyển ngược chiều điện trường lỗ trống di (electron/cm3) ni: mật đô eletron pi: mật đô lô trống (lô trống/cm3) chuyển chiều điện trường - Cả hai di chuyển gây bán dẫn dòng điện có chiều chiều điện trường gọi dòng trơi (drift current) Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 15 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 16 - Dòng trơi phụ thuộc nhiều vào khả di - Vận tốc hạt dẫn điện trường E: chuyển hạt dẫn bán dẫn, khả di v n = E.µ n chuyển đánh giá độ linh động hạt dẫn Độ linh động phụ thuộc vào loại hạt dẫn v p = E.µ p loại vật liệu Silicon Germanium µn=0.14 (m2/V.s) µp=0.05 (m2/V.s) µn=0.38 (m2/V.s) µp=0.18 (m2/V.s) Bài giảng mơn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 17 - Mật độ dòng điện J: Một hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn hình ve = nq n µ n E + pq p µ p E Giả sử: ni=1.5x1010 electron/cm3; µn= 0.14m2/Vs = nq n v n + pq p v p µp=0.14m2/Vs Tìm: J: mật độ dòng điện (A/m2) ; E cường đô điện trường(V/m) Vận tốc electron tự lỗ trống; n, p: mật độ electron tự lỗ trống, (hạt dẫn/m3) Mật độ dòng electron tự lỗ trống; qn, qp: đơn vị điện tích electron = 1.6 x 10-19 C Mật độ dòng tổng cộng; µn, µp: độ linh động electron tự lỗ trống (m2/Vs) Dòng tổng cộng bán dẫn vn, vp: vận tốc electron tự lỗ trống, (m/s) Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 18 Ví du 1-1 J = Jn + Jp Với: Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 19 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 20 Hướng dẫn Ta có: E = U / d = 2.103 V / m v n = E.µ n = 2.8 x 10 m / s v p = E.µ p = 102 m / s Vì vật liệu nên: p i = n i = 1.5 x 1010( / cm ) = 1.5 x 1010 / 10 −6 (/ m ) J n = n i q n v n = 0.672 A / m J p = n i q p v p = 0.24 A / m J = J n + J p = 0.672 + 0.24 = 0.912 A / m Tiết diện ngang : (20.10-3m) (20.10-3m)= 4.10-4 m2 Dòng điện: I = J S = (0.912 A / m ).(4 x 10 −4 m ) = 0.365 mA Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 21 Một sô lưu ý - Điện trở tính cách dùng công thức: R=ρ l S Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 22 Ví du 1-2 Tính điện dẫn suất điện trở suất bán dẫn ví dụ 1-1 - 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 Dùng kết câu để tìm dòng bán dẫn điện áp hai đầu 12V - Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn tính theo cơng thức: σ = nq nµ n + pq pµ p Bài giảng mơn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 23 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 24 1.3.3 Dòng khuếch tán Hướng dẫn Vì bán dẫn nên: n = p = ni = pi = 1.5 x 1016 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C σ = n q n µ n + p q p µ p = 4.56 x 10 −4 S / m ρ= = 2192.98 Ωm σ - Quá trình di chuyển sinh dòng điện bên bán dẫn Dòng điện gọi dòng khuếch tán (diffusion current) l = 32 98 K Ω S U I= = 365 mA R R =ρ Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 25 - Dòng khuếch tán có tính chất q độ (thời gian tồn ngắn) trừ chênh lệch mật độ trì bán dẫn 1.3 Bán dẫn loại P va bán dẫn loại N - Trong bán dẫn hay gọi bán dẫn nội (intrinsic semiconductor - bán dẫn loại i) có mật độ electron tự với mật độ lỗ trống Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh - 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 27 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 26 - Trong thực tê, 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 28 Cách thức tạo bán dẫn loại N - Người ta đặt vào bên bán dẫn nguyên tư tạp chất có điện tư lớp ngồi - Nó dùng điện tư đê tạo liên kết hóa trị thơng thường, điện tư lại có liên kết yếu hạt nhân nguyên tư va dê dàng trơ thành điện tư tư - Khi đưa vào lượng lớn tạp chất vào thi sô lượng electron tư nhiều va bán dẫn gọi bán dẫn loại N - 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 29 Cấu trúc tinh thể bán dẫn chứa nguyên tử donor Hạt nhân donor ký hiệu D Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 30 Cách thức tạo bán dẫn loại P - Bán dẫn loại P tạo cách đưa vào bán dẫn tạp chất có điện tư lớp ngồi - Vì vậy, cấu trúc tinh thê bán dẫn xảy sư thiếu electron va không đu đê tạo liên kết hóa trị, đo xuất lơ trống bên bán dẫn Càng có nhiều tạp chất thi có nhiều lơ trống va bán dẫn trơ thành bán dẫn loại P - Nguyên tử tạp chất gọi tạp chất nhận (acceptor) - Vật liệu thường dùng làm tạp chất trường hợp aluminum, boron, gallium, indium Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 31 Cấu trúc tinh thể bán dẫn có chứa nguyên tử acceptor Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 32 Nhận xét - Trong vật liệu bán dẫn loại N, số lượng electron tự nhiều hẳn so với lỗ trống lỗ trống tồn bán dẫn - Một mối quan hệ quan trọng mật độ electron mật độ lỗ trống hầu hết bán dẫn thực tế là: np = ni2 - 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) Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Với: n: mật đô electron p: mật đô lô trống ni: mật đô electron bán dẫn 33 Ví du 1-3 Bài giảng mơn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 34 Hướng dẫn Một silicon có mật độ electron bán dẫn 1.4x1016 electron/m3 bị kích thích nguyên tử tạp chất mật độ lỗ trống 8.5x1021 lỗ trống/m3 Độ linh động electron lỗ trống µn=0.14m2/Vs µp=0.14m2/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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh n = ( ) n i2 1.4x1016 = 2.3x1010 electron / m = p 8.5x10 21 Vì p > n nên vật liệu loại P σ = nq n µ n + pq p µ p = 68 S / m 35 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 36 1.4 Chuyển tiếp PN h h A h h A h A D - + - + - + h D - e e - Điện trường gây dòng điện trơi chiều với nó, ngược chiều với dòng khuếch tán gọi dòng ngược e D D D A Bán dẫn loại P e D e A A e + A h h A - h A e D e D e D + - Ở trạng thái cân bằng, dòng khuếch tán với dòng trơi Bán dẫn loại N - Do chênh lệch mật độ hạt dẫn ⇒ dòng khuếch tán xuất - Việc tập trung điện tích trái dấu hai bên chuyển tiếp làm xuất điện trường gọi điện trường tiếp xúc Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 37 - Hiệu điện tồn hai bên chuyển tiếp gọi hiệu điện hàng rào (barrier) V0 = Vγ = kT  N A N D   ln q  n i2  Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 38 - Để thể phụ thuộc hiệu điện vào nhiệt độ, người ta đưa khái niệm điện nhiệt: vT = -Với: 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 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh - Nói cách khác, dòng tổng qua tiếp xúc PN lúc không ⇒ 39 kT q N N  V0 = Vγ = VT ln A D   ni  Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 40 10 ... dòng điện lớn va tăng nhanh theo điện áp - Ngư c lại chuyển tiếp PN phân c c ngư c Nguồn áp phân c c thuận chuyển tiếp PN Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 43 Bài giảng môn Kỹ thuật. .. tạp chất l c gọi nguyên tử tạp chất cho (donor) C c vật liệu sử dụng tạp chất cho donor thông thường antimony, arsenic, phosphorus Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh 29 C u tr c. .. thấp - C c electron tự vậy, chúng giải diễn dạng giản đồ lượng phóng lượng trở lại lớp vỏ nguyên tử Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê Thị Kim Anh Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử C GV: Lê