PHỤ LỤC NỐI PN VÀ DIOD

1 Noái pn I.Chất bán dẫn 1.2.Chất bán dẫn • Xem chất bán dẫn no với số điện tử vòng ngồi 2n2 • Các ngun tử Si(14), Ge (32) có điện tử vòng ngồi cùng,nên tương đối bền • Tinh thể Si ( Ge) nguyên tử gần có liên kết cọng hố trị, nên ngun tử Si xem có điện tử vòng ngồi nên bền, khơng có trao đổi điện tử với chung quanh, nên xem không dẫn điện Mẫu nguyên tử Si14 (theo BOHR)electron +P N n=1 n=3 n=2 Hình Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Có cấu tạo bền • Tuy nhiên,dưới tác dụng nhiệt (hoặc ánh sáng, điện trường…), số điện tử nhận lượng đủ lớn lượng liên kết cộng hoá trò ( lượng ion hoá 1.12 eV Si 0,6 eV Ge) nên khỏi ràng buộc nói để trở thành điện tử tự dễ dàng di chuyển mạng tinh thể  Si trở nên dẫn điện • Khi có điện tử rời khỏi vò trí để lại lỗ trống mang điện tích dương lỗ trống di chuyển ngược chiều với điện tử tự • Hiện tượng gọi tượng sinh tạo nhiệt cặp điện tử tự – lỗ trống Hình Si Si Si Si Si Si Si Si Si - Si Si Si Si Si Si + • Sinh tạo cặp điện tử tự - lỗ trống • Hình vẽ sau diễn tả hình ảnh nói chiều di chuyển điện tử tự chiều di chuyển lỗ trống • Khi có điện tử đến chiếm chổ lỗ trống làm trung hoà điện tích tái tạo lại nối liên kết cọng hoá trò đựợc gọi tượng tái hợp cặp điện tử tự – lỗ trống • Ở nhiệt độ cố đònh ta có cân giửa tượng tạo tái hợp n i psinh i i  n cặp điện tử tự -lổ trống, hay: ni = pi với: ni mật độ điện tử tự chất bán dẫn pi mật độ lỗ trống chất bán dẫn • Lý thuyết bán dẫn cho :  A exp( q E g / kT ) n T đó: i A số tuỳ thuộc chất bán dẫn T nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin) oK toC + 273oC Eg lượng cần thiết để bẽ gảy nối cọng hoá trò eV = 1,6 10-19 J k số Bolztman = 1,38.10 -23J/oK=8,8510-5eV/oK q=1,6.10-19C, điện tích điện tử Ở 300oK, ni =1,5.1010/ cm3 ( Si) = 2,5.1010/cm3 ( Ge) nhõ so với mật độ nguyên tử mạng tinh thể = 5.1022/cm3, nên chất bán dẫn dẫn điện yếu • Chất bán dẫn loại n Pha nguyên tử hoá trò ( P15 )vào tinh thể Si:  P dùng điện tử vòng để liên kết cọng hoá trò với điện tử nguyên tử kế cận  Còn lại điện tử thứ không liên kết nên dễ dàng di chuyển mạng tinh thể điện tử tự  dẫn điện  nguyên tử P cho điện tử tự do,Pha nhiều nguyên tử P cho nhiều điện tử tự hơn dòng điện maïnh 10 Net Space Charge Density eN M D io d e v o lta g e = -V r d Q = In c r e m e n ta l c h a r g e d D i o d e v o l t a g e = - ( V r+ d V r) (a ) x S p a c e c h a r g e r e g io n eN a C M (b ) ( - ) p F /m m dep Reverse Forward D io d e V o lta g e Vo Fig.6.12: The depletion region behaves like a capacitor (a) The charge in the depletion region depends on the applied voltage just as in a capacitor (b) The incremental capacitance of the depletion region increases with forward bias and decreases with reverse bias Its vaue is typically in the range of picofarads per mm2 of device area From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 51 3.Diod Schottky  Tiếâp giáp kim loại- bán dẫnbức tường âm hạt tải nóng  Rào thấp 0,25 V  Thời gian tích trử không đáng kể t s=  Thời gian hồi phục bé  Điện dung tích trử vài phần mười pF Sử dụng mạch giao hoán, mạch logic, mạch số, mạch tần số cao 20 GHz 52 Diod quang (thu quang) Photodiode  Áp dụng hiệu ứng quang – điện vật liệu Si, GaAs…  Chuyển đổi ánh sáng thu từ bề mặt suốt thành dòng điện diod phân cực nghòch  Mổi diod thu xạ đònh Sử dụng mạch:  Báo động  Đo cường độ sáng  Đếm sản phẩm 53 EHPs e x p ( x ) x Lh W Le Iph Fig 6.51: Photogenerated carriers within the volume Lh + W + Le give rise to a photocurrent Iph The variation in the photegenerated EHP concentration with distance is also shown where  is the absorption coefficient at the wavelength of interest From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 54 N e u tra l n -re g io n D rift Long  N e u tra l p -re g io n Eo D iffu s io n L M e d iu m  e B ack e le c tro d e S h o rt  F in g e r e le c tro d e L h D e p le tio n re g io n n W p V oc Fig 6.49: The principle of operation of the solar cell (exaggerated features to highlight principles) From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 55 7.Diod phát quang (LED)  p dụng hiệu ứng điện quang  LED phát sáng phân cực thuận  Mổi LED phát xạ đònh tuỳ theo vật liệu chế tạo chất pha: GaAs bước sóng= 0,77-0,88 đỏ Al,Sb = 0,65 GaAsP đỏ GaPZn hổ phách GaAsS = 0,57-0,58 vàng GaPN2 = 0.55-0,56 lục 56 L ig h t o u u t p n+ E p ita x ia l la y e rs n+ S u b s tra te Fig 6.44: A schematic illustration of one possible LED device structure First n+ is epitaxially grown on a substrate A thin p layer is then epitaxially grown on the first layer From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 57 Ec E N Eg Ev ( a ) G a A s -y P y y < (b ) N d o p e d G a P Fig 6.45: (a) Photon emission in a direct bandgap semiconductor (b) GaP is an indirect bandgap semiconductor When doped with nitrogen there is an electron recombination center at EN Direct recombination between a captured electron at EN and a hole emits a photon From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 58 Mạch LED LED dẫn có : VD = 1,6V – 2,2V; ID = – 30mA Choïn trung bình: VD = 2V ID = 10 mA Mạch có điện trở RD nối với LED với nguồnVcc,cách tính trò RD tuỳ theo trò số nguồn Vcc: V CC  R D I D  V + Vcc V CC  V D RD  RD ID D � Vcc = 5V  RD = 200 Ohm Choïn 270 330 Ohm = 9V = 700 Ohm Chọn 680 = 12V = 1000 Ohm ID VD 59 p A lG a A s (a ) p A lG a A s G aA s ~  m E le c tr o n s in C B EF Ec eV o E Ec c eV e V N o b ia s EF Ev eV (b ) E H o le s in V B v W ith f o rw a r d b ia s (c ) n + p p (d ) A lG a A s G aA s A lG a A s F ig :4 : (a ) A d o u b le h e te r o s tr u c tu r e d io d e h a s tw o j u n c tio n s w h ic h a r e b e tw e e n tw o d if f e r e n t b a n d g a p s e m ic o n d u c to r s ( G a A s a n d A lG a A s ) (b ) A s im p lif ie d e n e r g y b a n d d ia g r a m w ith e x a g g e te d fe a tu re s E F m u s t b e u n ifo rm (c ) F o rw a rd b ia se d s im p lifie d e n e rg y b a n d d ia g r a m ( d ) F o r w a rd b ia s e d L E D S c h e m a tic illu s tra tio n o f p h o to n s e s c a p in g re a b s o r p tio n in th e A lG a A s la y e r a n d b e in g e m itte d fro m th e d e v ic e From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 60 C u rren t Ge  Si ~0  m A 0 GaAs V o ltag e F ig : S ch em a tic s k etch o f th e I-V ch a cteris tics o f G e, S i a n d G a A s p n J u n ctio n s From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 61 • LED áp dụng mạch:  Chỉ báo, hiển thò  LED đoạn máyphát , máy đo… Diod phát – thu hồng ngoại Là diod phát- diod thu quang với xạ lãnh vực hồng ngoại ( bước sóng khoảng1.000nm) Được sử dụng mạch báo động , điều khiển, phát – thu tín hiệu, liệu có tính bảo mật 62 8.Diod LASER  Diod khuếch đại ánh sáng xạ phát xạ kích thích ( Light Amplication by StimulatedEmission of Radiation – LASER)  Giống diod nối có thêm phận làm đảo mật độ dân số cọng hưỡng tạo ánh sáng kết hợp có cừơng độ lớn xạ thành chùm tia tập trung nhỏ  Áp dụng thông tin sợi quang, kênh không gian(không giây), máy CD, VCD, DVD, mạng máy tính… 63 D ie le c tric m irro r C u rre n t O p tic a l c a v ity c o n ta in in g a c tiv e la y e r P o lis h e d f a c e D ie le c tric m irro r F a b ry -P e ro t c a v ity L e n g th , L H e ig h t, H W id th W D iffra c tio n lim ite d la s e r b e a m Fig 6.56: A semiconductor lasers have an optical cavity to build-up the required electromagnetic oscillations From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 64 Bộ ghép quang(Optrons;Optoisolators;Optocouplers)  Ghép nối LED linh kiện thu quang vào chung vỏ kín nhằm truyền tín hiệu có tín bảo mật có độ cách ly điện tốt biến ( 1015 Ohm; 7.500V ), tránh nhiễu điện từ xen vào tín hiệu, liệu truyền  Các linh kiện thu quang : diod, transistor, FET, SCR,DIAC …quang  LED photodiod Diod quang (thu); 65 ... 0,3 V (Ge) Vậy nối pn không dẫn điện (I = 0) chưa cấp điện ( phân cực) • Muốn nối pn dẫn điện phải phân cực nguồn cấp điện DC để làm giảm rào điện hay làm hẹp vùng 22 Phân cực nối pn E a.Phân cực... Lỗ trống hạt tải thiểu số , mật độn pn, Nguyên tử P nguyên tử cho, mật � độ N , D ni i Trong điều kiện cân nhiệt động cho: nn = ND + pn = Nn D.i pn  Và: nn .pn = ND mật độ lỗ trống thiểu số 12... tiêu nối pn dẫn điện với dòng thuận IF lớn 23 b Phân cực nghòch Eex J +++ + + + Ei +++ - - - - - +++ V VB+V +V Rào gia tăng ( VB+ V) , vùng nới rộng gần hạt tải di chuyển qua nối, nối pn