điện tử tương tự bán dẫn

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

Điện tử tương tự ứng dụng Chương Chất bán dẫn Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Cấu trúc nguyên tử Nguyên tử: phần tử nhỏ nguyên tố chứa ba hạt • proton (hạt mang điện tích dương) • neutron (hạt khơng điện tích) • điện tử (electron) (hạt mang điện tích âm): di chuyển theo quỹ đạo quanh nhân Electron Proton Neutron Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Các chất bán dẫn, dẫn điện cách điện • Vật chất phân chia thành nhóm: – Các chất dẫn điện: có điện tử hóa trị (điện tử vòng hóa trị (vòng ngồi cùng)), liên kết yếu với nguyên tử Những điện tử hóa trị dễ dàng khỏi nguyên tử chúng trở thành điện tử tự Thí dụ: đồng, bạc, nhơm, vàng … • – Các chất cách điện: chất không dẫn điện điều kiện bình thường Các điện tử hóa trị chất cách điện liên kết chặt chẽ với nguyên tử • – Các chất bán dẫn: chất chất dẫn điện chất cách điện xét khả dẫn điện Các chất bán dẫn đặc trưng nguyên tử có điện tử hóa trị Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Các chất bán dẫn, dẫn điện cách điện Các dải lượng: Khe lượng: số lượng lượng mà điện tử hóa trị cần có để nhảy từ dải hóa trị (valence band) lên dải dẫn điện (conduction band) (a) Chất cách điện (b) Chất bán dẫn (c) Chất dẫn điện Chất bán dẫn chất dẫn điện Điện tử hóa trị Lõi (+1) Điện tử hóa trị Lõi (+4) (a) Nguyên tử silicon (b) Nguyên tử đồng Cấu trúc nguyên tử chất bán dẫn điện tử hóa trị lớp (vòng) hóa trị (vòng ngồi cùng) Ngun tử silicon Ngun tử germanium Liên kết hóa trị Tinh thể silicon Liên kết hóa trị Mỗi nguyên tử trao đổi điện tử với nguyên tử lân cận để tạo thành liên kết hóa trị Mỗi nguyên tử có liên kết hóa trị với lân cận Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Tính dẫn điện chất bán dẫn Liên kết hóa trị Năng lượng Điện tử tự Dải dẫn điện Khe lượng Năng lượng nhiệt Lỗ Dải hóa trị Cặp điện tử - lỗ Ở nhiệt độ cao, lượng nhiệt làm cho điện tử rời khỏi liên kết hóa trị ⇒ Tinh thể silicon nhiệt độ cao ⇒ số điện tử phóng thích tự ⇒ để lại lỗ (hole) ⇒ dòng điện tồn Tính dẫn điện chất bán dẫn Hai loại dòng điện: Dòng điện tử: điện tử tự di chuyển tạo Dòng lỗ: lỗ di chuyển từ chỗ đến chỗ khác cấu trúc tinh thể tạo 5.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ để lại lỗ 6.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ để lại lỗ 3.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ để lại lỗ 4.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ để lại lỗ 2.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ để lại lỗ 1.Điện tử tự để lại lỗ liên kết hóa trị Chất bán dẫn nội • Chất bán dẫn nội tại: chất bán dẫn khơng bị kích tạp, khơng có tạp chất • Việc phá vỡ liên kết hóa trị tạo điện tử tự lỗ, số lượng lỗ số lượng điện tử tự Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn nội (intrinsic) • Trong chất bán dẫn nội tại: mật độ điện tử tự n = mật độ lỗ tự p n = p = ni • ni phụ thuộc vào: – Năng lượng tối thiểu cần có để giải phóng điện tử (năng lượng khe dải (bandgap energy)) – Nhiệt độ tuyệt đối 10 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ mơn Điện tử - ĐHBK TP HCM Dòng điện chất bán dẫn • Khi đặt hiệu điện lên hai đầu bán dẫn, trường điện làm cho điện tử tự di chuyển ngược chiều trường điện lỗ di chuyển chiều trường điện • Cả hai di chuyển gây bán dẫn dòng điện có chiều chiều trường điện gọi dòng trơi (drift current) • Dòng trơi phụ thuộc nhiều vào khả di chuyển hạt mang điện bán dẫn, khả di chuyển đánh giá độ linh động hạt mang điện Độ linh động phụ thuộc vào loại hạt mang điện loại vật liệu Silicon: n=0.14 (m2/V.s), p=0.05 (m2/V.s) Germanium: n=0.38 (m2/V.s), p=0.18 (m2/V.s) • Vận tốc hạt mang điện trường điện E: = E n vp = E p 11 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Dòng điện chất bán dẫn • Nếu bán dẫn có chênh lệch mật độ hạt mang điện hạt mang điện có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt mang điện cao đến nơi có mật độ hạt mang điện thấp nhằm cân mật độ hạt mang điện • Q trình di chuyển sinh dòng điện bên bán dẫn Dòng điện gọi dòng khuếch tán (diffusion current) • Dòng khuếch tán có tính chất q độ (thời gian tồn ngắn) trừ chênh lệch mật độ trì bán dẫn 12 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ mơn Điện tử - ĐHBK TP HCM Dòng điện chất bán dẫn • Mật độ dòng điện J: J  Jn  Jp  nq n  n E  pq p p E Với:  nq n v n  pq p v p J: mật độ dòng điện (A/m2) ; E: cường độ điện trường(V/m) n, p: mật độ điện tử tự lỗ, (hạt dẫn/m3) qn, qp: điện tích điện tử, lỗ = 1.6 x 10-19 C n, p: độ linh động điện tử tự lỗ (m2/Vs) vn, vp: vận tốc điện tử tự lỗ, (m/s) 13 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ mơn Điện tử - ĐHBK TP HCM Dòng điện chất bán dẫn • Thí dụ: Một hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn hình vẽ Giả sử: ni=1.5x1010 điện tử/cm3; n= 0.14m2/Vs; p=0.05m2/Vs • Tìm: Vận tốc điện tử tự lỗ Mật độ dòng điện tử tự lỗ Mật độ dòng tổng Dòng tổng bán dẫn 14 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Dòng điện chất bán dẫn Ta có: E  U / d  2.103 V / m v n  E. n  2.8 x 102 m / s v p  E. p  102 m / s Vì bán dẫn nên: pi  ni  1.5 x 1010( / cm3 )  1.5 x 1010 / 106 (/ m3 ) J n  ni qn  0.672 A / m2 J p  pi qp vp  0.24 A / m2 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 / m2 ).(4 x104 m2 )  0.365 mA 15 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Bán dẫn loại P bán dẫn loại N Điện tử tự từ nguyên tử Sb Lỗ từ nguyên tử B 16 Bán dẫn loại P bán dẫn loại N • Trong bán dẫn nội tại, mật độ điện tử tự với mật độ lỗ • Trong thực tế, người ta tạo vật liệu bán dẫn mật độ điện tử lớn mật độ lỗ vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ lớn mật độ điện tử tự • Các vật liệu bán dẫn gọi bán dẫn có pha tạp chất hay bán dẫn kích tạp • Bán dẫn mà điện tử tự chi phối gọi bán dẫn loại N, ngược lại, bán dẫn lỗ chi phối chủ yếu gọi bán dẫn loại P • Người ta đặt vào bên bán dẫn nguyên tử tạp chất có điện tử lớp ngồi • Nguyên tử dùng điện tử để tạo liên kết hóa trị thơng thường, điện tử lại có liên kết yếu nhân nguyên tử dễ dàng trở thành điện tử tự 17 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Bán dẫn loại P bán dẫn loại N • Khi đưa vào lượng lớn tạp chất số lượng điện tử tự nhiều bán dẫn gọi bán dẫn loại N Điện tử tự gọi hạt mang điện đa số • Nguyên tử tạp chất lúc gọi nguyên tử tạp chất cho (donor) Các vật liệu sử dụng làm tạp chất cho thông thường antimony, arsenic, phosphorus • Bán dẫn loại P tạo cách đưa vào bán dẫn tạp chất có điện tử lớp ngồi • Vì vậy, cấu trúc tinh thể bán dẫn xảy tượng thiếu điện tử không đủ để tạo liên kết hóa trị, xuất lỗ trống bên bán dẫn Càng có nhiều tạp chất đưa vào có nhiều lỗ trống, bán dẫn loại P Lỗ gọi hạt mang điện đa số • Nguyên tử tạp chất gọi nguyên tử tạp chất nhận • Vật liệu thường dùng làm tạp chất nhận thông thường aluminum, boron, gallium, indium 18 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Bán dẫn loại P bán dẫn loại N • • • • • • Chất bán dẫn loại N Nguyên tử tạp chất hóa trị (với điện tử hóa trị) thêm vào Mỗi nguyên tử hóa trị tạo thành liên kết hóa trị với nguyên tử silicon lân cận ⇒ để lại điện tử thừa không tạo thành liên kết Nguyên tử hóa trị cung cấp thêm điện tử ⇒ nguyên tử cho Hạt mang điện đa số: điện tử Hạt mang điện thiểu số: lỗ Nguyên tử tạp chất  ion dương • • • • • • Chất bán dẫn loại P Nguyên tử tạp chất hóa trị (với điện tử hóa trị) thêm vào Mỗi nguyên tử hóa trị tạo thành liên kết hóa trị với nguyên tử silicon lân cận ⇒ dẫn đến tồn lỗ phải cần đến điện tử Nguyên tử hóa trị cần lấy thêm điện tử ⇒ nguyên tử nhận Hạt mang điện đa số: lỗ Hạt mang điện thiểu số: điện tử Nguyên tử tạp chất  ion âm 19 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Bán dẫn loại P bán dẫn loại N • Một mối quan hệ quan trọng mật độ điện tử mật độ lỗ hầu hết bán dẫn thực tế là: np  ni2 Với: n: mật độ điện tử p: mật độ lỗ ni: mật độ điện tử bán dẫn • Một silicon có mật độ điện tử bán dẫn 1.4x1016 điện tử/m3 bị kích tạp nguyên tử tạp chất mật độ lỗ 8.5x1021 lỗ/m3 Độ linh động điện tử lỗ n=0.14m2/Vs p=0.05m2/Vs 20 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Bán dẫn loại P bán dẫn loại N Tìm mật độ điện tử bán dẫn kích tạp chất Bán dẫn loại N hay loại P? Tìm điện dẫn suất bán dẫn kích tạp chất   ni2 1.4x1016 10 n    x 10 electron / m p 8.5x1021 Vì p > n nên vật liệu bán dẫn loại P   nq nn  pq p p  68 S / m 21 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Tiếp giáp P-N Khi bán dẫn loại N bán dẫn loại P ghép với nhau, tiếp giáp (junction) PN hình thành hình Miền p Tiếp giáp pn Miền n 22 Tiếp giáp P-N Trong miền n, điện tử tự gần tiếp giáp bắt đầu khuếch tán ngang qua tiếp giáp vào miền p, điện tử kết hợp với lỗ gần tiếp giáp ⇒ tạo lớp điện tích dương Trong miền p, điện tử từ miền n di chuyển ngang qua tiếp giáp, lỗ miền p gần tiếp giáp khơng Miền nghèo hạt mang điện đa số ⇒ tạo lớp Miền p Miền n điện tích âm Hai lớp điện tích tạo thành miền nghèo hạt mang điện đa số Điện rào 23 Tiếp giáp P-N • Các điện tử tiếp tục khuếch tán đến miền p ngang qua tiếp giáp ⇒ tạo thêm nhiều điện tích dương âm gần miền nghèo hạt mang điện đa số • Nhiều điện tích dương âm phía đối diện tiếp giáp pn ⇒ hình thành trường điện (electric field) • Hai loại dòng điện: • – Dòng khuếch tán (diffusion current) “hạt mang điện đa số” : gây hạt mang điện đa số khuếch tán vào miền lại • – Dòng trôi (drift current) “hạt mang điện thiểu số” : gây hạt mang điện thiểu số quét ngang qua tiếp giáp ảnh hưởng trường điện • • Hiệu điện trường điện ngang qua miền nghèo hạt mang điện đa số gọi điện rào (barrier potential) • Trạng thái cân thiết lập khơng khuếch tán điện tử 24 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM