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

Cấu trúc nguyên tử

Nguyên tử: phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố chứa ba hạt cơ bản

• proton (hạt mang điện tích dương)

• neutron (hạt không điện tích)

• điện tử (electron)

(hạt mang điện tích âm):

di chuyển theo quỹ đạo

Các chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện

• Vật chất có thể được phân chia thành 3 nhóm:

– Các chất dẫn điện: có một điện tử hóa trị (điện tử ở vòng hóa trị

(vòng ngoài cùng)), liên kết yếu với nguyên tử Những điện tử

hóa trị này có thể dễ dàng thoát khỏi các nguyên tử của chúng

và trở thành điện tử tự do

Thí dụ: đồng, bạc, nhôm, vàng …

•

– Các chất cách điện: chất không dẫn điện dưới những điều kiện

bình thường Các điện tử hóa trị của những chất cách điện liên

kết chặt chẽ với các nguyên tử

•

– Các chất bán dẫn: chất ở giữa chất dẫn điện và chất cách điện

khi xét về khả năng dẫn điện Các chất bán dẫn được đặc trưng

bởi những nguyên tử có 4 điện tử hóa trị

3

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Các chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện

Các dải năng lượng:

Khe năng lượng: số lượng năng lượng mà điện tử hóa trị cần có để

nhảy từ dải hóa trị (valence band) lên dải dẫn điện (conduction band)

4

Cấu trúc nguyên tử của chất bán dẫn

4 điện tử hóa trị ở lớp (vòng) hóa trị (vòng ngoài cùng)

Liên kết hóa trị

Tinh thể silicon thuần

Mỗi nguyên tử trao đổi một điện tử với nguyên

tử lân cận để tạo thành liên kết hóa trị Mỗi nguyên tử có 4 liên kết hóa trị với 4 lân cận Liên kết hóa trị

7

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Tính dẫn điện của chất bán dẫn

Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt có thể làm cho một điện tử rời khỏi liên kết hóa trị

⇒ Tinh thể silicon thuần ở nhiệt độ cao ⇒ một số điện tử được phóng thích

tự do ⇒ để lại các lỗ (hole) ⇒ dòng điện có thể tồn tại

Tính dẫn điện của chất bán dẫn

1.Điện tử tự do

để lại một lỗ ở liên kết hóa trị

2.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ 1 và để lại lỗ 2

3.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ 2 và để lại lỗ 3 4.Điện tử hóa

trị di chuyển đến lỗ 3 và để lại lỗ 4

5.Điện tử hóa trị di chuyển đến lỗ 4 và để lại lỗ 5 6.Điện tử

hóa trị di chuyển đến

lỗ 5 và để lại

lỗ 6

Hai loại dòng điện:

Dòng điện tử : do các điện tử tự do di chuyển tạo ra

Dòng lỗ : do các lỗ di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác trong cấu trúc tinh thể tạo ra

9

Chất bán dẫn nội tại

• Chất bán dẫn nội tại: chất bán dẫn không bị kích tạp, không có các

tạp chất

• Việc phá vỡ một liên kết hóa trị sẽ tạo ra một điện tử tự do và một

lỗ, do đó số lượng lỗ sẽ luôn bằng số lượng điện tử tự do Bán dẫn

này được gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn nội tại (intrinsic)

• Trong chất bán dẫn nội tại:

mật độ điện tử tự do n = mật độ lỗ tự do p

• ni phụ thuộc vào:

– Năng lượng tối thiểu cần có để giải phóng một điện tử (năng

lượng của khe dải (bandgap energy))

– Nhiệt độ tuyệt đối

10

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Dòng điện trong chất bán dẫn

• Khi đặt một hiệu điện thế lên hai đầu bán dẫn, trường điện sẽ làm

cho các điện tử tự do di chuyển ngược chiều trường điện và các lỗ

di chuyển cùng chiều trường điện

• Cả hai sự di chuyển này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có

chiều cùng chiều trường điện được gọi là dòng trôi (drift current)

• Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di chuyển của hạt mang

điện trong bán dẫn, khả năng di chuyển được đánh giá bằng độ linh

động của hạt mang điện Độ linh động này phụ thuộc vào loại hạt

mang điện cũng như 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 của hạt mang điện trong trường điện E:

Dòng điện trong chất bán dẫn

• Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt mang điện thì

các hạt mang điện này sẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật

độ hạt mang điện cao đến nơi có mật độ hạt mang điện thấp hơn

nhằm cân bằng mật độ hạt mang điện

• Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn

Dòng điện này được gọi là dòng khuếch tán (diffusion current)

• Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn) trừ khi

sự chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn

12

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

qn, qp: điện tích của điện tử, lỗ = 1.6 x 10-19 C

n, p: độ linh động của điện tử tự do và lỗ (m2/Vs)

vn, vp: vận tốc điện tử tự do và lỗ, (m/s)

13

p p n

n

p p n

n

p n

v pq v

nq

E pq

E nq

J J

Dòng điện trong chất bán dẫn

• Thí dụ:

Một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu của một thanh bán dẫn thuần

trong hình vẽ Giả sử: ni=1.5x1010 điện tử/cm3; n= 0.14m2/Vs;

E v

s / m 10 x 8 2

E v

m / V 10 2 d / U E

2 p

p

2 n

p i p

2 n

n i n

3 6

10 3

10 i

i

m / A 24 0 v

q p J

m / A 672 0 v

q n J

) m (/

10 / 10 x 5 1 ) cm / ( 10 x 5 1 n

2406720

3 J  J n  J p  .  .  A / m

mA 365

0 ) m 10

x 4 ).(

m / A 912 0 ( S J

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

Điện tử tự do từ nguyên tử Sb

Lỗ từ nguyên tử B

16

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

• Trong bán dẫn nội tại, mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ

• Trong thực tế, người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó mật độ

điện tử lớn hơn mật độ lỗ hoặc vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ lớn

hơn mật độ điện tử tự do

• Các vật liệu bán dẫn này được gọi là bán dẫn có pha tạp chất hay

bán dẫn kích tạp

• Bán dẫn mà điện tử tự do chi phối được gọi là bán dẫn loại N, và

ngược lại, bán dẫn trong đó lỗ chi phối chủ yếu được gọi là bán dẫn

loại P

• Người ta đặt vào bên trong bán dẫn thuần một nguyên tử tạp chất

có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng

• Nguyên tử này sẽ dùng 4 điện tử để tạo 4 liên kết hóa trị thông

thường, vì vậy điện tử còn lại sẽ có liên kết rất yếu đối với nhân

nguyên tử và dễ dàng trở thành điện tử tự do

17

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

• Khi đưa vào một lượng lớn tạp chất thì số lượng điện tử tự do sẽ

càng nhiều và bán dẫn được gọi là bán dẫn loại N Điện tử tự do

được gọi là hạt mang điện đa số

• Nguyên tử tạp chất lúc này được gọi là nguyên tử tạp chất cho

(donor) Các vật liệu được sử dụng làm tạp chất cho thông thường

là antimony, arsenic, phosphorus

• Bán dẫn loại P cũng được tạo ra bằng cách đưa vào bán dẫn thuần

một tạp chất có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng

• Vì vậy, trong cấu trúc tinh thể bán dẫn xảy ra hiện tượng thiếu điện

tử và không đủ để tạo liên kết hóa trị, do đó sẽ xuất hiện lỗ trống

bên trong bán dẫn Càng có nhiều tạp chất được đưa vào sẽ có càng

nhiều lỗ trống, chính là bán dẫn loại P Lỗ được gọi là hạt mang điện

đa số

• Nguyên tử tạp chất được gọi là nguyên tử tạp chất nhận

• Vật liệu thường được dùng làm tạp chất nhận thông thường là

aluminum, boron, gallium, indium

18

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

điện tử hóa trị ) được thêm vào

các liên kết hóa trị với 4 nguyên tử

điện tử hóa trị ) được thêm vào

các liên kết hóa trị với 4 nguyên tử silicon lân cận ⇒ dẫn đến tồn tại

19

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

• Một mối quan hệ quan trọng giữa mật độ điện tử và mật độ lỗ

trong hầu hết các bán dẫn trong thực tế là:

Với: n: mật độ điện tử

p: mật độ lỗ

ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần

• Một thanh silicon có mật độ điện tử trong bán dẫn thuần là

1.4x1016 điện tử/m3 bị kích tạp bởi các nguyên tử tạp chất cho đến

khi mật độ lỗ là 8.5x1021 lỗ/m3 Độ linh động của điện tử và lỗ là

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

1 Tìm mật độ điện tử trong bán dẫn đã kích tạp chất

2 Bán dẫn là loại N hay loại P?

3 Tìm điện dẫn suất của bán dẫn đã kích tạp chất

i 2 3 x 10 electron / m

10 x 5 8

10 x 4 1 p

n

m / S 68

Tiếp giáp P-N

Khi bán dẫn loại N và bán dẫn loại P được ghép với nhau, một tiếp

giáp (junction) PN được hình thành như ở hình dưới đây

Tiếp giáp pn

22

Tiếp giáp P-N

Trong miền n, các điện tử tự do ở gần tiếp giáp bắt đầu khuếch tán ngang qua tiếp giáp vào trong miền p, ở đó các điện tử này kết hợp với các lỗ gần tiếp giáp ⇒ tạo ra một lớp các điện tích dương

Trong miền p, khi các điện tử từ miền n di chuyển ngang qua tiếp giáp, các lỗ trong miền p gần tiếp giáp không

Tiếp giáp P-N

• Các điện tử tiếp tục khuếch tán đến miền p ngang qua tiếp giáp ⇒

tạo ra thêm nhiều điện tích dương và âm nữa ở gần miền nghèo hạt

mang điện đa số

• Nhiều điện tích dương và âm trên các phía đối diện của tiếp giáp

p-n ⇒ hìp-nh thàp-nh trườp-ng điệp-n (electric field)

• Hai loại dòng điện:

•

những hạt mang điện đa số khuếch tán vào trong miền còn lại

•

hạt mang điện thiểu số quét ngang qua tiếp giáp do ảnh hưởng của

trường điện

•

• Hiệu điện thế của trường điện ngang qua miền nghèo hạt mang

điện đa số được gọi là điện thế rào (barrier potential)

• Trạng thái cân bằng được thiết lập khi không còn sự khuếch tán

điện tử nào nữa

24

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM