Dụng cụ bán dẫn và vi mạch dùng cho sinh viên ngành khoa học tự nhiên

i.Ê XUÂN THÊ LÊ XUÂN THÊ DỤNG CỤ BÁN DẪN VA vi MẠCH Dùng cho sinh viên ngành Khoa học tự nhiên (Tái lần thứ nhất) NHÀ XUẤT BẢN GIẤO DỤC 04 - 2006/CXB/99 - 1860/GD Mă số: 7B623T6 - DAI LỜI NÓI ĐẦU Ngày kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học, ngành công nghiệp đờl sống hàng ngày Kỹ thuật điện tử lĩnh vưc nghiên cứu sử dụng linh kiện điện tử bao gồm dụng cụ bán dẫn mạch tổ hợp (IC) để tạo nên mạch điện tử thiết bị điện tử phục vụ người Đê giúp sinh viên ngành Vó tuyến điện tử dễ dàng tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật điện tử đại, chúng lói đưa giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v VI MẠCH vào dạy clio sinh viên chuyên ngành Vật lý Vô tuyến Đây giáo trình dạy nhiều năm Bộ môn Vật lý Vô tuyến.Khoa Vật lý Trưèoig ĐHKHTTN Giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v VI m c h gồm có chiromg : Chương : Những sở vật lý chất bán dẫn Chương : Các loại điốt bán dẫn Chương : Transistor dụng cụ bán dẫn khác Chương : Khuếch đại vi sai Chương : Khuếch đại thuật toán Với nội dung nêu trơn, sách dùng làm tài liệu tham khảo cho s in h v iê n v c n b ộ k ỹ thuẠt c ủ a c c n g n h k h c c ó liê n q u a n đ ế n k ỹ th u ậ t đ iệ n tử n h : Thông tin, Viễn thông, Đo lườiig, Điều khiển, Tự động hố Do có hạn sách viết lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong đóng góp ý kiến bạn đọc để sách bổ sung hoàn hảo Tác giả Phần DỤNG CỤ BÁN DẪN CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CHƯƠNG Ị A - Cơng n h iệt; số B - Độ cảm ứng từ b - Tỷ sô' độ linh động điện tử độ linh động lỗ trống C j, Cy - Điện dung lớp chuyển tiếp p - n, điện dung Varicap , Dp - Hệ số khuếch tán điện tử lỗ trống d - Độ rộng lớp chuyển tiếp p - n E - Điện trưòmg Eg, Ejj- Mức tạp chất axepto đôno Ẹ q , E y, Ep - Mức lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hoá trị, mức Fecmi Ep|, Ep , Ep - Mức Fecmi ỏ bán dẫn không tạp, bán dẫn loại n, loại p AE - Độ rộng vùng cấm g - Tốc độ sinh hạt tải điện, ệ - Cường độ xạ f - Tần số I, Iịj,, I„g, J, I q - Dòng điện, dòng thuận, dòng ngược, dòng anốt, dòng máng , jp - Mật độ dòng, mậi độ dòng điện tử, mật độ dòng lỗ trống k - Hằng số Boltzman - Mật độ dòng điện tử khuếch tán dòng lỗ trống khuếch tán K - Độ Kenvin L - Độ dài M - Hệ số nhận hạt tải chuyển tiếp p - n m*, m* - Khối lượng hiệu dụng điện tử lỗ trống N.,, N^ị - Mật dộ nguyên tử axcpto đôno Nj,, N p - Mật độ hiệu dụng điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị n - Mật độ điện tử n^, Hp - Mật độ điên tử bán dẫn loại n bán dẫn loại p riị, Pị - Mật độ điện tử, mật độ lỗ trống bán dẫn không tạp p - Mật độ lỗ trống q, q p - Điện tích, điện tích điện tử, điện tích lỗ trống r - Tốc độ lái hợp s - Diện tích T - Nhiệt độ tuyệt đ ố i; chu kỳ dao động, t - Tliời gian, u - Điện áp V, v ,„ - Điện thế, điện thuận, điện ngược điện đánh thủng V - Vận tốc a - Hệ số truyền dòng điện, p - Hệ sơ' khuếch đại dòng, y - Đ ộ dẫn điện () - Hằng số điện môi chân không £ - Hằng số điện mòi - Tliời gian rơ lắc (p -T h ế tĩnh điện - Hiệu tiếp xúc (p-Ị- - Thế nhiệt, co-T ần số góc Un, |0.p - Độ linh động điện tử lỗ trống q - Điện trở suất, - Độ dẫn riêng Tp, Xp - Thời gian sống điện tử lỗ trống ' Chương NHỮNG Cơ SỞ VẬT LÝ CỦA CHẤT BÁN DẪN 1.1 T ín h chết vật lý c c dạng dẫn điện bán dẫn Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn Điện trở suất chúng : ‘ÍBD ~ ( 10 “^ -ỉ- lo ’^) Q.cm,nẳm điện trở suất kim loại ÍKL = ( 10 "^ 10 “'*) Q.cm điện trờ suất điện mơi ÍĐM = (10'" - 10") Kim loại H h10-® 10-'’ Bán dẫn Điện mơi H h c, [n.cm] Hình 1.1 : Điện trở suất vật liệu Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga, As, số chất bán dẫn khác Se Ti số loại oxyt, Cacbit, Sulíua Tính chất đặc trưng bán dẫn độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sáng điện trường Điện trở bán dẫn giảm nhanh nhiệt độ tăng Ngược với kim loại điện trở tăng nhiệt độ tăng Khảo sát thực nghiệm cho ta phụ thuộc vào nhiệt độ cùa điện trở K kim loại bán dăn duọc vẽ irơn hình 1.2 Hình 1.2 : Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ 1.1.1 Bán dẫn khơng tạp chát Để giải thích đặc trưng dẫn điên hán dẫn, ta nghiên cứu thể tích lý tưởng tinh thể Ge Ge ngun tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn Hình vẽ 1.3a mô tả mạng tinh thể Ge mạt phẳng Vùng dẫn Ec a = = < ^ —3 = = Phát sinh Ep Tái hợp Ev Vùng hoá trị b) Hỉnh 1.3 : Mạng tinh thể (a) giản đổ lượng (b) Ge tinh khiết Nguyên tử Ge phân bố nút mạng tinh thể liên kết với nguyên tử lân cận điện tử hoá trị Hai đường thẳng nối nút mạng biểu diễn mối liên kết hoá trị cặp diện tử dùng chung Tổng hợp mức lượng điện tử hoá trị tinh thể Ge lý tường tạo nên giản đồ lượng biểu diễn hình 1.3b Trong Ec : mức lượng đáy vùng dẫn Ey mức đỉnh vùng hoá trị Ep mức Fecmi AE : độ rộng vùng cấm nhiệt đ ộ T = 0K : Ị bán dẫn khơng tạp chất, tất e hoá trị đểu tham gia mối liên kết đồng hoá trị Như chúng chiếm đầy tất mức nãng lượng vùng hố trị Còn vùng dẫn khơng có điện tử Như T = OK, bán dẫn không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hoá trị Ey đáy vùng cấm Ec vùng cấm có độ rộng AE = E, - Ey V iG e: A E ~ ,7 eV Với Si : AE~1,2 eV Như vậy, để chuyển điện tử vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp lượng > AE Năng lượng nàng lượng nhiệt Khi nhiệt độ T > OK : Do cổ lượng chuyển động nhiệt, có số điện tử phá v5 liên kết đồng hoá trị chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống Độ dẫn điện từ trường giống điện tích dương có giá trị diện tích điện tích điện tử Q trình tạo nên cặp điện tử tự lỗ trống đưọc gọi trình sinh hạt tải biểu diễn mũi tên ưên hình 1-3b Mật độ điện tử lỗ trống bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxvveỉl Boltzman ^C-Ep n = N„e kT ( 1_ 1) E p -E y p = NpC kT (1 _ ) N^, N p : Mật độ hiệu dụng trạng thái vùng dẫn vùng hoá trị k = l,38.10~^^j/K Nhân ( 1.1) với (1.2) Coi khối lượng hiệu dụng lỗ trống khối lượng hiệu dụng điện tử « Np w N ta có : E ^ —E y n.p = N V “T AE = nV >^ (1-3) Trong trạng thái cân nhiệt động, mật độ điện tử vùng dẫn bán dẫn không tạp chất lìị mật độ lỗ trống vùng hố trị P i, tức : nj = Pị = n (1-4) Từ (1.3) ta suy : AE n = N e 2kT ( 1_ ) Từ công thức ta thấy mật độ hạt tải điện bán dẫn lớn nhiệt độ cao độ rộng vùng cấm nhỏ Từ (1.1) (1.2) ta rút : E p , = c ± v = E v f =E c - f (1-6) Như múc Fecmi bán dẫn khơng tạp chất nằm vùng cấm (hình 1.3b) Dưới tác dụng lượng nhiệt, điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị thực chuyển động nhiệt hỗn loạn Song song với q trình phát sinh nóì trên, xảy trình điên tử nhảy từ vùng dẫn xuống lấp vào lỗ trống vùng hoá trị tạo nên trình tái hợp cặp điện tử lỗ trống Số tái hợp tỷ lệ với mật độ hạt tải diện Khi đặt điện trường E vào bán dẫn : chuyển động điện tử lỗ trống bán dẫn đư ạ: định hướng Nghĩa T > OK bán dẫn có khả dẫn điện Độ dẫn lớn cưòíng độ q trình p h t sinh cặp điện tử lỗ trống lớn Độ dẫn bao gồm chuyển động điện tử chuyên động lỗ trống Như độ dẫn toàn p h ^ j |^ |^ Ệ |^ ^ c ủ a điện tử cộng với độ dẫn lỗ trống Gọi dộ dẫn toàn phẩn y ta có : í Y = +qpPMp (í-7 ) í q^,qp : Điện tích điện tử lỗ trống ; |ij,, |ip : Độ linh động điện tử lỗ trống Độ dẫn gọi độ dẫn riêng bán dẫn Độ dẫn riêng gọi dẫn bán dãn khơng tạp chất Bán dẫn khơng tạp chất ký hiệu bán dãn loại i Độ dẫn riêng thường không lớn Hơn độ dẫn điện tử độ dẫn lỗ trống ỉà chuyến động điện tử bán dẫn (điện tử vùng dẫn chuyển động theo hướng ngược chiều với điện trưòng Còn điện tử vùng hố trị chun động đến lấp lỗ trống theo hướng ngược lại với chuyển động lỗ trống) Mật độ điện tử lỗ trống bán dẫn không tạp nhiệt độ phòng (20°C) : Ge : 2.1o''^cm , với Si ; l,4.10’‘^cm (Mật độ nguyên tử mạng tinh thể 5.10“ cm l.ỉ.2 Bán dẫn tạp chất • Bán dẫn h i n : Nếu tinh thể Ge ta đưa vào tạp chất ngun tố nhóm V ví dụ As Ngun tử As chiếm nút mạng Nó bỏ điện tử tạo nên liên kết đồng hố trị thừa điện tử V ùng d ẫn Điện tử thừa Ềc Ef 2XỈ. - E l - E l B LU < Vùng hoá tiỊ a) x> uJ (quãng đường tự hạt tải điện) hạt tải không điện trường chuyển tiếp phân cực ngược đạt 23 tốc ion hoá mạng tinh thể tạo nên cặp điện tử lỗ trống Các hạt tải lạitham gia trình ion hố tiếp tục Tốc tàng dòng có tính thác lũ Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào hệ số va chạm ion hoá e lỗ trống Để đơn giàn ta coi độ tăng dòng loại hạt Ví dụ : Ta nghiên cứu với chuyển tiếp p - n khơng đối xứng dòng ngược dòng e dịch chuyển từ p » Pp Trườiig hợp n (hình 1.14) - Gọi Xi(E) íà số cặp điện tử lỗ trống tạo nên bời hạt tải điện 1cmđường điện trường cho trước - Gọi số điện tử qua lớp chuyển tiếp p - n ri() Khi có điện tử e va chạm gây ion hoá tạo nên điện tử lỗ trống, điện tử tham gia ion hoá - Giả sử Hị số điện tử lạo nên đoạn - Gọi X (kể từ miền p) P t s ố lỗ tr ố n g tạ o n ê n đ o n X —> d Vì từ p h ía p qua lớp dx cho điện tử qua, từ phía bán dẫn n cho lỗ trống qua Như số cập điện tử lỗ trống tạo nên lớp dx : dn = (ny + n|)Xjdx + P2Xịdx = n 3Xjdx (1-34) T ro n g n3 = Hq + n| + P2 số điện tử điểm d Hình 1.14 : Sự hình thành thác lũ hạt tải điện Sau tích phân gọi hệ số nhân điện tử M„ = — ta có : n, d - M„ = jxi(E )dx (1-35) Sự đánh thủng tăng M= 00 nghĩa tích phân Giá trị Xị phụ thuộc vào cưòng độ điện trường điểm cho trước chuyển tiếp, nghĩa phụ thuộc vào phân bô' mật độ tạp chất 24 Trong thực tế ta thưòmg sử dụng hệ số nhân dòng điện : I y r' V - d.th c : Hằng số với vật liệu bán dẫn (c = -ỉ- ) Cần thấy rằng, đánh thủng thác lũ, với tăng dòng, điện trở chuyển tiếp p - n giảm đột ngột Tuy nhiên chuyển tiếp p - n không hạ thấp giá trị đánh thủng cường độ E giảm so vái E cần thiết để va chạm ion hố Vì tăng dòng đánh thủng thác lũ xảy điện lớp chuyển tiếp p - n tăng khơng đáng kể (hình 1,13a) Điều ứng dụng điốt ổn áp 1.6.2 Đánh thủng Tunel Với bán dẫn có mật độ tạp cao (N > lo'^cm “^) gọi bán dẫn suy biến Khi độ rộng lớp chuyển tiếpd < lOOA Mức Fecmi phân bố hình vẽ 1.15 Điều kiện d < l làm cho hạt tải không kịp lấy lượng để ion hoá thời gian bay qua miền điện tích khơng gian, có hiệu ứng Tunel Các hạt có lượng thấp hàng rà o t h ế n h n g n ó có th ể c h u i q u a v ù n g chuyển chế Tunel (hình 1.15) Hệ sơ' truyền qua Tunel vng góc với hàng rào có độ cao AE độ rộng a : D = D(,exp Ị-AaVÃĨẼỊ (1-37) A, D (,: Hằng số - Xác xuất Tunel lớn độ cao hàng rào thấp độ rộng hẹp - Các e~ từ vùng hoá trị p chui Tunel qua lớp chuyển tiếp sang vùng đẫn n AE AE - K h i V » < P K ; a = d, — = — ( D = D q exp = D o exp qE V > * AE/2 v /2 (1-38) ^ Mật độ dòng Tunel tỷ lệ với D : J-p ~ D 25 Hệ số A| tìm : A = ỉ I + N., N, 28E, (1-39) 1.6.3 Đánh thủng nhiệt Đánh thủng nhiệt tượng dòng ngược chạy qua chuyển tiếp p - n toả nhiệt lượng xác định Lúc nhiệt độ lớp chuyển tiếp tâng lên kèm theo tăng mật độ hạt tải làm cho dòng ngược tãng lên, nhiệt toả tăng, mật độ hạt tải tăng Quá trình tiếp tục gây nên đánh thủng nhiệt - Công suất toả n h iệ t: P b = Ib h -V ; D òng ngược bão hồ - Sự phụ thuộc dòng ngược vào n h iệ t độ Ibh = A exp ( : AE^ kT Po = A v.exp công suất toả : / AE kT AE = I V dT “ >kT^ ) Công suất khỏi lớp chuyển tiếp : p R-ị- : Điện trờ nhiệt đ iố t; : Nhiệt độ thân điốt Như : dT R Đánh thủng nhiệt xảy : dPR dPo dT ^ dT , , R Vậy điều kiện làm việc ổn định điốt : Ibh = A exp 26 kT VAER (1 -4 ) Điều kiện thoả mãn tốt bán dẫn có AE lớn nhỏ) ví dụ Si, Ge có I(,|^ lớn nên nhiệt độ cao dễ gây đánh thủng nhiệt Do có phản hồi dương tăng nhiệt độ dòng ngược nên đặc trưng V - A đánh thủng nhiệt có đoạn điện trở vi phân âm Nghĩa dòng tàng điện chuyển tiếp giảm (hình 1.13c) Vì dòng ngược chuyển tiếp thường nhỏ nên nhiều trường hợp đánh thủng thác lũ đánh thủng Tunel làm tăng dòng ngược điốt nóng lên Nếu điốt khơng có điện trở hạn chế gây nên đánh thủng nhiệt 27 ...LÊ XUÂN THÊ DỤNG CỤ BÁN DẪN VA vi MẠCH Dùng cho sinh vi n ngành Khoa học tự nhiên (Tái lần thứ nhất) NHÀ XUẤT BẢN GIẤO DỤC 04 - 2006/CXB/99... người Đê giúp sinh vi n ngành Vó tuyến điện tử dễ dàng tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật điện tử đại, chúng lói đưa giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v VI MẠCH vào dạy clio sinh vi n chuyên ngành Vật lý... tuyến .Khoa Vật lý Trưèoig ĐHKHTTN Giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v VI m c h gồm có chiromg : Chương : Những sở vật lý chất bán dẫn Chương : Các loại điốt bán dẫn Chương : Transistor dụng cụ bán dẫn