Đang tải... (xem toàn văn)
Giới thiệu, nội dung môn học + chương 1 giới thiệu chung về cấu kiện điện tử và vật liệu điện tử. Trong chương này đã đưa ra định nghĩa và các cách phân loại của cấu kiện điện tử, các đặc tính và các tham số kỹ thuật của các loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện tử viễn thông như chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn và vật liệu từ. + chương 2 trình bày về các cấu kiện điện tử thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây và biến áp, cùng các đặc tính và tham số cơ bản của các cấu kiện này, cách nhận biết và cách đọc các tham số của các linh kiện thực tế. + chương 3 trình bày về điốt bán dẫn. Trong chương này, giáo trình đã nêu lên tính chất vật lý đặc biệt của lớp tiếp xúc P N, đồng thời trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như các đặc tuyến, tham số kỹ thuật của điốt bán dẫn. Ngoài ra, trong chương 3 còn trình bày về các chế độ làm việc của điốt bán dẫn và giới thiệu một số loại điốt thông dụng và đặc biệt. + chương 4 trình bày về cấu tạo và nguy ờn lý hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT). Đồng thời, trong chương này cũng trình bày cụ thể về ba cách mắc cơ bản của tranzito trong các sơ đồ mạch khu ếch đại, các đặc tính và đặc điểm của từng cách mắc. Đồng thời ở chương 4 cũng trình bày về các cách phân cực và các mạch tương đương của tranzito. + chương 5 giới thiệu chung về tranzito hiệu ứng trường (FET) và phân loại tranzito trường. Trong chương trình bày cụ thể về cấu tạo và nguy ện lý hoạt động cũng như các cách phân cực cho tranzito trường loại JFET và MOSFET. + chương 6 giới thiệu về cấu kiện thuộc họ thyristo như chỉnh lưu silic có đi ều khiển, triac, diac; nờu cấu tạo và nguy ờn lý hoạt động cũng như ứng dụng của chúng. Đồng thời, chương 6 cũng trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tranzito đơn nối (UJT). + chương 7 đề cập đến sự phát triển tiếp theo của kỹ thuật điện tử là vi mạch tích h ợp. Trong chương này trình bày về khái niệm, phân loại cũng như sơ lược về công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn, là loại vi mạch được sản xuất và sử dụng r ộng rãi hiện nay. Ngoài ra, trong chương 4 còn trình bày đặc tính và tham số của trình bày về đặc điểm cũng như tham số của hai loại vi mạch: vi mạch tuy ến tính và vi mạch số. Trong đó giới thiệu chi tiết về vi mạch khuếch đại thuật toán (OA), đây là loại vi mạch vạn năng được sử dụng rộng rãi ở nhiều chức năng khác nhau. + Chương 8 trình bày về các cấu kiện quang điện tử. Chương này trình bày khá tỉ mỉ và hệ thống về các loại cấu kiện quang điện tử bán dẫn và không bán dẫn đang được sử dụng trong kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viễn thông. Ở đây trình bày về các cấu kiện quang điện tử sử dụng trong kỹ thuật điện tử và thông tin quang:
KHOA ÂIÃÛN TỈÍ - VIÃÙN THÄNG BÄÜ MÄN ÂIÃÛN TỈÍ CU KIN IN Tặ Bión soaỷn: Dổ Quang Bỗnh Aè NÀÔNG — 1998 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG VẬT LÝ BÁN DẪN 1.1 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ : Các vật liệu điện tử thường phân chia thành ba loại: Các vật liệu cách điện, dẫn điện vật liệu bán dẫn Chất cách điện loại vật liệu thường có độ dẫn điện tác dụng nguồn điện áp đặt vào Chất dẫn điện loại vật liệu tạo dịng điện tích có nguồn điện áp đặt ngang qua hai đầu vật liệu Chất bán dẫn loại vật liệu có độ dẫn điện khoảng chất dẫn điện chất cách điện Thơng số dùng để phân biệt loại vật liệu điện trở suất ρ , có đơn vị Ω.cm Như rỏ bảng 1.1, chất cách điện có điện trở suất lớn 10 Ω.cm ví dụ: kim cương [diamond] chất cách điện tuyệt vời, có điện trở suất lớn: 1016 Ω.cm Ngược lại, đồng đỏ nguyên chất [pure copper] chất dẫn điện tốt, có điện trở suất 3x10 −6 Ω.cm Các vật liệu bán dẫn chiếm toàn khoảng điện trở suất chất cách điện chất dẫn điện; ra, điện trở suất vật liệu bán dẫn điều chỉnh cách bổ sung thêm nguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn Bảng 1.1, cho biết giá trị điện trở suất điển hình loại vật liệu Mặc dù thực tế làm quen với tính dẫn điện đồng đỏ (đồng nguyên chất) tính cách điện mica, đặc tính điện vật liệu bán dẫn Gemanium (Ge) Silicon (Si) cịn lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn khơng có hai loại vật liệu này, loại vật liệu sử dụng nhiều phát triển dụng cụ bán dẫn BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện vật liệu chất rắn Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện ρ < 10 −3 Ω.cm 10 −3 < ρ < 10 Ω.cm Giá trị điện trở suất chất điển hình ρ = 3x10 −6 Ω.cm ρ = 50 Ω.cm (germanium) (đồng đỏ ng chất) ρ = 50 x10 Ω.cm (silicon) 10 Ω.cm < ρ ρ = 1012 Ω.cm (mica) ρ = 1016 Ω.cm (kim cương) Các chất bán dẫn tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn ngun tố hóa học, (bảng 1.2) Mặt khác, chất bán dẫn hợp chất hình thành từ ngun tố nhóm III nhóm IV (thường gọi hợp chất 3-5), hay nhóm II nhóm VI (gọi hợp chất 2-6) Chất bán dẫn hợp chất bao gồm nguyên tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [galliumaluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; Ga-In-P [gallium-indiumphosphide] Theo lịch sử chế tạo linh kiện bán dẫn Ge chất bán dẫn sử dụng Tuy nhiên, Ge thay cách nhanh chóng bới Si dùng để chế tạo dụng cụ bán dẫn quan trọng Silicon có mức lượng độ rộng vùng cấm (Eg) lớn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho phép sử dụng linh kiện bán dẫn chế tạo từ Si nhiệt độ cao dễ ôxi hóa để hình thành nên lớp ơxit cách điện ổn định bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý Si chế tạo vi mạch (ICs) dể dàng nhiều so với Ge Tuy vậy, Ge có cấu kiện bán dẫn đại hạn chế nhiều so với Si số chất bán dẫn khác Ngoài chất bán dẫn Silicon dùng nhiều, cịn có chất bán dẫn như: GaAr [galliumarsenic] InP [Indium-phosphide] chất bán dẫn thơng dụng nay, vật liệu quan trọng việc chế tạo cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED), cơng nghệ Laser tách sóng quang v v BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Bảng 1.3 Giới thiệu số chất bán dẫn thường sử dụng nhiều để chế tạo linh kiện bán dẫn BẢNG 1.3 Các vật liệu bán dẫn Chất bán dẫn Chất bán dẫn EG (eV) E G (e V) Kim cương (diamond) 5,47 Gallium arsenide 1,42 Silicon 1,12 Indium phosphide 1,45 Germanium 0,66 Boron nitride 7,50 Thiếc (tin) 0,082 Silicon carbide 3,00 Cadimium selenide 1,70 Kim cương Boron Nitride chất cách điện tuyệt vời nhiệt độ phòng, chúng Silicon Carbide dùng chất bán dẫn nhiệt độ cao ( 600o C ) Việc bổ sung tỷ lệ nhỏ ( < 10 % ) Ge vào Si làm cho đặc tính dụng cụ bán dẫn thông thường cải thiện 1.2 MƠ HÌNH LIÊN KẾT ĐỒNG HĨA TRỊ Trong chất, nguyên tử liên kết với dạng cấu trúc như: Vơ định hình [amorphous]; đa tinh thể [polycrystalline] đơn tinh thể [single-crystal] Các vật liệu vơ định hình có cấu trúc hồn tồn khơng có trật tự (hổn độn), ngược với vật liệu đa tinh thể bao gồm số lượng lớn tinh thể khơng hồn chỉnh nhỏ kết hợp lại Một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể lặp lại (tuần hoàn) loại nguyên tử gọi cấu trúc đơn tinh thể Nhiều đặc tính hữu ích chất bán dẫn tìm thấy vật liệu đơn tinh thể dạng nguyên chất cao, chẳng hạn như: Silicon BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ thuộc nhóm IV bảng tuần hồn nguyên tố hóa học, có bốn điện tử (electron) lớp ngồi cùng, gọi điện tử hóa trị Vật liệu đơn tinh thể hình thành liên kết đồng hóa trị nguyên tử Silicon với nguyên tử Si lân cận gần dạng khối không gian ba chiều đặn hình 1.1 Để đơn giản, ta xét mơ hình liên kết đồng hóa trị dạng hai chiều hình 1.2 Sự liên kết bền vững nguyên tử điện tử hóa trị góp chung gọi liên kết đồng hóa trị Mặc dù liên kết đồng hóa trị lọai liên kết mạnh điện tử hóa trị nguyên tử gốc chúng điện tử hóa trị hấp thụ lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy liên kết đồng hóa trị tạo điện tử trạng thái tự Thuật ngữ “tự do” nói lên di chuyển điện tử nhạy cảm tác dụng điện trường nguồn điện áp hay chênh lệch hiệu; ảnh hưởng lượng ánh sáng dạng photon; lượng nhiệt từ môi trường xung quanh Ở nhiệt độ phòng, cm3 vật liệu bán dẫn Si nguyên chất có khoảng 1010 hạt tải điện tự [free carrier] Các điện tử tự vật liệu bán dẫn chất tương tự hạt tải điện Cững nhiệt độ phòng, cm3 vật liệu Ge nguyên chất có khoảng 2,5 x1013 hạt tải điện tự Tỷ lệ số lượng hạt tải điện tự Ge Si lớn 103 lần, điều nói lên Ge có độ dẫn điện tốt nhiệt độ phòng, hai loại Ge Si có độ dẫn điện trạng thái Lưu ý bảng 1.1, điện trở suất Si Ge chênh lệch tỷ lệ 1000:1, Si có điện trở suất lớn hơn, điều tất nhiên, điện trở suất tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện Khi tăng nhiệt độ chất bán dẫn lên độ khơng tuyệt đối (0K) số lượng điện tử hóa trị hấp thụ lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy liên kết đồng hóa trị tăng lên, làm tăng độ dẫn điện chất bán dẫn có điện trở thấp Do vậy, vật liệu bán dẫn Ge Si có điện trở giảm nhiệt độ tăng tức có hệ số nhiệt độ âm Điều náy khác với chất dẫn điện điện trở nhiều chất dẫn điện tăng theo nhiệt độ số lượng hạt tải điện chất dẫn điện không tăng đáng kể theo nhiệt độ, chúng dao động xung quanh vị trí cố định làm cản trở di chuyển điện tử khác, tức làm cho điện trở tăng lên nên chất dẫn điện có hệ số nhiệt độ dương Như vậy, Ở nhiệt độ gần độ tuyệt đối, toàn điện tử định vị mối liên kết đồng hóa trị góp chung nguyên tử theo dạng mãng điện tử tự để tham gia vào trình dẫn điện Lớp ngồi ngun BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ tử đầy đủ vật liệu giống chất cách điện Khi tăng nhiệt độ, lượng nhiệt bổ sung vào tinh thể, lúc vài liên kết bị bẻ gãy, giải phóng lượng nhỏ điện tử cung cấp cho việc dẫn điện, hình 1.3 Mật độ điện tử tự gọi là: mật độ hạt tải điện ni [intrinsic carrier density] ( cm −3 ) xác định tùy theo đặc tính vật liệu nhiệt độ sau: ⎛ E ⎞ cm-6 (1.1) ni2 = BT exp⎜ − G ⎟ ⎝ kT ⎠ đó: EG mức lượng độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, đơn vị đo eV; k số Boltzmann, 8,62x10−5 (eV/ K); T nhiệt độ tuyệt đối (oK); B thông số tùy thuộc vật liệu, BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ chẳng hạn, Si B = 1,08x1031 (K-3 cm- 6) Mức lượng vùng cấm E G [bandgap energy] mức lượng tối thiểu cần thiết để bẻ gãy mối liên kết tinh thể bán dẫn để giải phóng điện tử cho trình dẫn điện Bảng 1.3 liệt kê giá trị mức lượng vùng cấm số chất bán dẫn khác Mật độ điện tử tự biểu diển ký hiệu n ( số electron / cm3), vật liệu nguyên chất n = ni Mặc dù ni đặc tính chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tất vật liệu Hình 1.4 rõ thay đổi mạnh mật độ hạt tải điện theo nhiệt độ Gemanium, Silicon, Gallium Arsenide, tính từ biểu thức (1.2) với B = 2,31x10 30 K −3 cm −6 cho Ge B = 1,27 x10 29 K −3 cm −6 cho GaAr Ví dụ 1.1: Hãy xác đinh giá trị ni Si nhiệt độ phòng (300K) ? ( ) ⎞ ⎛ − 1,12 ⎟ = 4,52 x1019 / cm ni2 = 1,08 x10 31 K − cm − (300K )3 exp⎜ ⎜ 8,62 x10 eV / K (300K ) ⎟ ⎠ ⎝ hay ( ) ni = 6,73x10 / cm Để đơn giản tính tốn, ta lấy giá trị ni ≈ 1010 / cm nhiệt độ phòng Si Mật độ nguyên tử silicon mạng tinh thể vào khoảng x10 22 / cm , so sánh với kết ví dụ 1.1, trên, suy rằng: nhiệt độ phòng, số xấp xỉ 1013 ngun tử Si, có mối liên kết bị bẻ gãy Một loại hạt tải điện khác thực tế tạo liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy hình 1.3 Khi điện tử mang điện tích âm q = −1,602 x10 −19 C , di chuyển khỏi liên kết đồng hóa trị, để lại khoảng trống [vacancy] cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon gốc Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q Một điện tử từ liên kết lân cận điền vào khoảng trống tạo khoảng trống vị trị khác Quá trình làm cho khoảng trống di chuyển qua khắp mối liên kết mạng tinh thể bán dẫn Khoảng trống di chuyển giống hạt tích điện có điện tích +q nên gọi lổ trống [hole] Mật độ lỗ trống ký hiệu p (lỗ trống / cm3) Như vậy, có hai loại hạt tích điện tạo đồng thời liên kết bị bẽ gảy: điện tử lỗ trống, bán dẫn silicon nguyên chất ta có: n = ni = p (1.2) (1.3) ⇒ np = ni2 Tích pn cho (1.3) với điều kiện chất bán dẫn điều kiện cân nhiệt, mà đó, đặc tính vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà khơng có dạng kích thích khác Phương trình (1.3) khơng chất bán dẫn có kích thích ngồi như: điện áp, dịng điện hay kích thích ánh sáng 1.3 ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA BÁN DẪN SILICON NGUYÊN CHẤT a) Dòng trôi chất bán dẫn Điện trở suất: ρ đại lượng nghích đảo điện trở suất điện dẫn suất [conductivity]: σ đặc trưng dòng điện chảy vật liệu có điện trường đặt vào Dưới tác dụng điện trường, hạt tích điện di chuyển trôi [drift] tạo thành dịng điện gọi dịng trơi [drift current] Mật độ dịng trơi j định nghĩa sau: j = Qv (C/cm3)(cm/s) = A/cm2 (1.4) đó: Q mật độ điện tích; v vận tốc điện tích điện trường Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc tinh thể silicon cách sử dụng hai mơ hình liên kết đồng hóa trị mơ hình vùng lượng chất bán dẫn Đối với vận tốc hạt tải điện tác dụng điện trường ta phải xét độ linh động hạt tải điện b) Độ linh động [mobility] Như xét, hạt tải điện chất bán dẫn di chuyển tác dụng điện trường BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ đặt vào chất bán dẫn Sự chuyển động gọi trôi tạo thành dòng điện chảy chất bán dẫn hiểu dịng trơi Các điện tích dương trơi chiều với chiều điện trường, ngược lại hạt mang điện tích âm trơi theo hướng ngược với chiều điện trường r r Vận tốc trôi hạt tải điện v (cm/s) tỷ lệ với điện trường E (V/cm); số tỷ lệ gọi độ linh động µ , ta có: r r r r vp = µp E (1.5) = −µ n E r r đó: v n vận tốc điện tử (cm/ s); v p vận tốc lỗ trống (cm/s); µ n độ linh động điện tử, có giá trị 1350 cm2/V.s bán dẫn Si nguyên chất µ p độ linh động lỗ trống, có giá trị 500 cm2/V.s bán dẫn Si nguyên chất Do quan niệm, lỗ trống xuất vị trí di chuyển qua mối liên kết đồng hóa trị, điện tử tự di chuyển khắp mạng tinh thể, vậy, hiểu độ linh động lỗ trống thấp so với độ linh động điện tử, biểu thị định nghĩa biểu thức (1.5) Chú ý rằng: quan hệ (1.5) không mức điện trường cao tất các chất bán dẫn vận tốc hạt tải điện đạt tới giới hạn gọi là: vận tốc trơi bão hịa vsat Đối với bán dẫn Si, vsat vào khoảng 107cm/s, điện trường vượt 3x104V/cm c) Điện trở suất bán dẫn Si Để đơn giản cho việc xác định mật độ dịng trơi điện tử lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo chiều để tránh ký hiệu véc tơ phương trình (1.4), ta có: j ndrift = Q n v n = (−qn )(− µ n E ) = qnµ n E j pdrift = Q p v p = (+ qp )(+ µ p E ) = qpµ p E A/cm2 (1.6) đó: Qn = (−qn) Q p = (+ qp ) mật độ điện tích điện tử lổ trống (C/cm3) tương ứng Tổng mật độ dịng trơi là: jTdrift = j n + j p = q(nµ n + pµ p ) E = σ E Từ phương trình xác định độ dẫn điện σ : σ = q.(nµ n + pµ p ) A/cm2 (Ω.cm)-1 (1.7) (1.8) Đối với bán dẫn Si nguyên chất, mật độ điện tích điện tử cho Q n = − qni mặt khác mật độ điện tích lổ trống Q p = + qni Thay giá trị độ linh động bán dẫn Si nguyên chất cho phương trình (1.5), ta có: σ = (1,60 x10 −19 )[(1010 )(1350) + (1010 )(500) = 2,96 x10 −6 (Ω.cm)-1 Từ định nghĩa điện trở suất ρ nghịch đảo điện dẫn suất σ , bán dẫn Si nguyên chất ta có: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CuuDuongThanCong.com CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ρ= σ = 3,38 × 105 (Ω.cm) (1.9) Tra theo bảng 1.1, ta thấy bán dẫn Si có đặc tính chất cách điện, gần với mức khoảng điện trở suất chất cách điện 1.4 BÁN DẪN TẠP CHẤT a) Các tạp chất chất bán dẫn Trong thực tế, ưu điểm chất bán dẫn thể rỏ tạp chất bổ sung vào vật liệu bán dẫn nguyên chất, với tỷ lệ thấp tạp cU KIỆN ĐIỆN TỬ 91 Điện trở mạch tín hiệu nhỏ cho bởi: rR 100 x 10 x 10 ro = rd // RL = d L = ≈ ,0 kΩ rd + RL 100 x 10 + x 10 Ví dụ xét mạch dùng DE MOSFET kênh-n, thực tính tốn tương tự mạch dùng linh kiện kiểu khác FET Giá trị điển hình cho điện trở máng tín hiệu nhỏ rd nằm khoảng 50 đến 100 kΩ; điện trở thông thường lớn nhiều so với điện trở tải RL, nên trường hợp ảnh hưởng (a) (b) rd thường bỏ qua, hệ số khuyếch đại xấp xỉ biểu thức: vo ≈ − gm RL vi Rõ ràng cách thay đổi giá trị RL ta thay đổi hệ số khuyếch đại mạch khuyếch đại chế độ tín hiệu nhỏ, phải lưu ý điều ảnh hưởng đến dòng chiều (dc) chảy FET b) Mạch khuyếch đại lặp lại cực nguồn [ Source follower amplifier ] Ở ta xét mạch khuyếch đại Nguồn-chung Một số cấu hình khuyếch đại khác dùng rộng rãi mạch hình 3.44 Trong mạch đó, cực máng chung cho mạch vào mạch (lưu ý rằng, VDD kết nối hiệu dụng với đất tín hiệu nhỏ, tức xem ngắn mạch nguồn tín hiệu ac) Do đó, mạch gọi mạch khuyếch đại máng-chung Từ định nghĩa gm, ta có: iD Ỵ iD = gm vGS = gm (vG − v S ) vGS Vì điện áp cực nguồn vS cho bởi: vS = RSid , nên suy ra: RS g m vS = vG = vG 1 + RS g m +1 RS g m Nếu 1/ RSgm