Ôn thi cuối kỳ vật lý bán dẫn

► ƠN VLBD CUỐI KÌ ◄ ❖ Chương 4: Chuyển tiếp PN • Chuyển tiếp PN Kể tên bước q trình planar để chế tạo chuyển tiếp PN Tác dụng lớp SiO2 gì?  ** Theo thứ tự là: Oxy hóa Quang khắc Khuếch tán hay cấy ion Kim loại hóa ** Lớp SiO2 dùng làm lớp cách điện số cấu trúc dụng cụ làm rào chắn khuếch tán cấy chế tạo dụng cụ Định nghĩa chuyển tiếp PN loại bước (step), loại biến đổi (graded)  **Loại bước: + Cấu tạo: khuếch tán cạn cấy ion NL thấp + Phân bố tạp chất: xấp xỉ chuyển đột ngột nồng độ pha tạp n p **Loại p+n: + Nồng độ tạp chất bên N (ND) >> nồng độ tạp chất bên P (NA) + Miền nghèo nằm bên P (vì WP/WN = ND/NA >> → WP >> WN) ### Loại pn+ tương tự **Loại biến đổi đều: + Cấu tạo: khuếch tán sâu cấy ion NL cao + Sự phân bố tạp chất: thay đổi tuyến tính qua chỗ chuyển tiếp p-n Sự tạo thành chuyển tiếp p-n  **Sự tạo thành: Tại lớp chuyển tiếpp p-n + Electron: khuếch tán từ n → p Khi e liên kết lỗ → cặp e-lỗ biến + Lỗ: từ p→ n → hình thành lớp nghèo **Miền nghèo: + Khơng có có hạt tải điện + Điện trở lớn + Về phía n: có Donor tích điện + + Về phía p: có Acceptor tích điện – **Dòng điện: + Thuận: p sang n + Nghịch: n sang p **Dịng điện trơi: ngược chiều với dịng khuếch tán • Chuyển tiếp PN chưa có phân cực (với chuyển tiếp bước) (chuyển tiếp PN điều kiện cân bằng) Sự hình thành miền nghèo-chuyển động hạt dẫn? ### Xem phần Miền nghèo, miền trung hòa? Miền trung hòa Miền trung hòa Rào (thế nội khuếch tán)?  **Định nghĩa: HĐT miền trung hòa bên P bên N cân nhiệt **Công thức: 𝑉𝑏𝑖 = 𝑘𝑇 𝑞 𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝑙𝑛 ( 𝑛𝑖 )=𝑉𝑇 𝑙𝑛 ( 𝑛ồ𝑛𝑔 độ ℎạ𝑡 𝑑ẫ𝑛 đ𝑎 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑛à𝑦 𝑛ồ𝑛𝑔 độ ℎạ𝑡 𝑑ẫ𝑛 𝑡ℎ𝑖ể𝑢 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑘𝑖𝑎 ) ### Vd: (đ𝑎 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑃) 𝑝𝑝0 𝑉𝑏𝑖 = 𝑉𝑇 𝑙𝑛 {(𝑡ℎ𝑖ể𝑢 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑁) 𝑝𝑛0 (đ𝑎 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑁) 𝑛𝑛0 } = 𝑉𝑇 𝑙𝑛 {(𝑡ℎ𝑖ể𝑢 𝑠ố 𝑏ê𝑛 𝑃) 𝑛𝑝0 } Miền điện tích khơng gian (miền nghèo)  **Với: + W: bề rộng miền nghèo + WP,WN: bền rộng miền nghèo bên P, bên N + Em: điện trường cực đại giao tiếp PN + 𝜀𝑆 : số điện môi bán dẫn Nhận biết phân cực chuyển tiếp?  **Công thức: 𝑉𝐴 = 𝑉𝑃 − 𝑉𝑁 **Với: + VP: điện đầu anot (tại P) + VN: điện đầu catot (tại N) **Nhận biết: + 0: phân cực thuận → bề rộng miền nghèo nhỏ → R nhỏ • Chuyển tiếp PN phân cực thuận **Định nghĩa: Vp > VN → VA > **Khi phân cực thuận tăng → miền nghèo giảm → điện trở giảm **Công thức bề rộng miền nghèo: (dưới) **Dòng điện thuận: 𝑉𝐴 ⁄ 𝐼𝐹 = 𝐼𝑆 (𝑒 𝑉𝑇 − 1) **Với: IS : dòng điện bão hòa ngược t0 tăng → IS tăng • Chuyển tiếp PN phân cực ngược **Định nghĩa: VP < VN → VA < **Khi phân cực ngược tăng → miền nghèo tăng → điện trở tăng **Công thức bế rộng miền nghèo: (dưới) • Cơng thức bề rộng miền nghèo (nhớ)  **Tổng quát: 𝑊 = 𝑊0 √1 − + Không phân cực: 𝑊 • 𝑉𝐴 𝑉𝑏𝑖 = 𝑊0 = √ 2𝜀𝑆 𝑉𝑏𝑖 + Phân cực thuận: 𝑊 = 𝑊0 √1 − + Phân cực ngược: 𝑊 = 𝑊0 √1 + 𝑞 𝑉𝐹 𝑉𝑏𝑖 𝑉𝑅 𝑉𝑏𝑖 ( 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 ) **VA = VF > **VA = -VR < Dòng điện sinh tái hợp **Phân cực thuận thấp (điện áp thấp, ni nhỏ) → dòng tái hợp thắng **Phân cực thuận cao (điện áp lớn) → dòng khuếch tán thắng **Pt có sinh tái hợp: 𝐼𝐹 = 𝐼𝑆 (𝑒 𝑉𝐴 ⁄ƞ𝑉 𝑇 − 1) **Với: ƞ hệ số lí tưởng (hệ số phát xạ) có giá trị từ → (tùy vật liệu)  **Độ dốc khác ƞ ảnh hưởng ** ƞ nhỏ → độ dốc lớn • Điện trở vật liệu khối RS  **Cơng thức dịng điện có RS: (𝑉𝐴 −𝐼𝐹 𝑅𝑆 ) ⁄ƞ𝑉 𝑇 {𝑒 𝐼𝐹 = 𝐼𝑆 − 1} **Tác động RS đến đặc tuyến I-V: RS nhỏ → độ dốc lớn • Điện dung miền nghèo chuyển tiếp PN **Định nghĩa: + Xét chuyển tiếp PN với phân cực ngược (VA = –VR < 0) → hình thành điện dung miền nghèo + Điện dung miền nghèo đơn vị diện tích mặt cắt ngang Cdep: 𝐶𝑑𝑒𝑝 = 𝜀𝑆 𝑊 =√ 2𝜀𝑆 (𝑉𝑏𝑖 +𝑉𝑅 ) 𝑞 ( 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 ) **Áp ngược VR tăng → Cdep giảm ngược lại → ứng dụng chế tạo diode biến dung • Các mơ hình diode: (chưa kể đến vùng đánh thủng) **Phân cực thuận: + VD = + ID phụ thuộc mạch **Phân cực ngược: VD < **VAK ≥ VON → VD = VON , ID phụ thuộc mạch **VAK < VON → ID = ** VAK ≥ VON → VD = rd.ID + VON **VAK < VON → ID = • Mơ hình diode tín hiệu nhỏ với tần số thấp • Các cấp điện trờ: 𝑉𝐷 𝑅𝐷 = Điện trở tĩnh RD (điện trở DC): = 𝐼𝐷 𝑉𝑄 𝐼𝑄 Điện trở động rD hay rd (điện trở AC): Điện trở AC trung bình (nội dung k hỏi) • Điện dung chuyển tiếp PN Cj = **Không phân cực: 𝑊 εS V W0 √1 − A Vbi = 𝑊0 = √ 2𝜀𝑆 𝑉𝑏𝑖 𝑞 A = ( 𝑁𝐴 Cj0 V √1 − A Vbi + 𝑁𝐷 ) → Cj0 **Với phân cực ngược: 𝑉𝐴 = −𝑉𝑅 < **Phân cực thuận: 𝑉𝐴 = −𝑉𝐹 > ### Cơng thức tính W i chang phần (ghi lại thơi) • A Các loại diode khác Diode chỉnh lưu (diode chuyển tiếp PN thơng thường) + Chỉ cho dịng điện theo chiều từ P sang N (từ anot sang catot) = εS W0 + Thường có điện áp đánh thủng lớn Diode ổn áp (Zener) + Sử dụng hiệu ứng đánh thủng (ở phân cực ngược) đường hầm (Zener) và/hoặc hiệu ứng đánh thủng thác lũ + Ảnh hưởng nhiệt độ: t0 tăng → VT tăng → I giảm Diode biến dung + Xét phân cực ngược: 𝑉𝐴 = −𝑉𝑅 < Cj = Cj0 V √1 + R Vbi A **VR tăng → Cj giảm Diode Schottky + Cấu tạo: tạo từ chuyển tiếp M-S (kim loại – bán dẫn) có tính chỉnh lưu **Ví dụ: platinum – bán dẫn loại N + Có rào nhỏ ~0,3V + Hoạt động tắt / dẫn tốc độ chuyển mạch cao + Đặc tuyến I –V giống diode thường • Các ứng dụng diode Mạch chỉnh lưu: bán kỳ, toàn sóng, chỉnh lưu Mạch lọc sóng gợn tụ Mạch xén: diode thường, Zener Mạch ổn áp: Zener ❖ Chương 5: BJT (TRANSISTOR chuyển tiếp lưỡng cực) • Khái quát Định nghĩa: + B=Bipolar: lưỡng cực có hạt dẫn e lỗ dịng điện + J=Junction: có chuyển tiếp PN + T=Transistor Cấu tạo: + miền đc pha tạp chất riêng: miền phát (E), miền (B), miền thu (C) + chuyển tiếp PN: **Giữa B E → JE (EBJ) **Giữa B C → JC (CBJ) + Nồng độ tạp chất miền khác nhau: E > B > C + Bề rộng miền nhỏ so với chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số (WB nhỏ) + Mũi tên cực E: cho biết chiều dòng điện loại BJT Phân loại: gồm loại pnp npn ### Các V cộng trừ quy tắc chèn điểm vecto • Các hệ số BJT: Hệ số vận chuyển miền B (hệ số truyền đạt miền nền): 𝐵= 𝐼𝐶 **Với: + IC: dòng e đến miền thu 𝐼𝐸𝑛 + IEn: dòng e xuất phát từ E Hiệu suất phát 𝛾𝑒 : 𝐼 𝛾𝑒 = 𝐸𝑛 𝐼𝐸𝑛 +𝐼𝐸𝑝 = 𝐼𝐸𝑛 **Với: + IEn: dòng e xuất phát từ E 𝐼𝐸 𝐼𝐸 = 𝐼𝐸𝑛 +𝐼𝐸𝑝 + IEp: dòng lỗ phần từ IEn qua IC **Để có hiệu cao: + e phát từ E lớn → 𝛾𝑒 = 𝐼𝐸𝑛 𝐼𝐸𝑛 +𝐼𝐸𝑝 tiến gấn đến 𝐼𝐸𝑛 ≫ 𝐼𝐸𝑝 + B tiến gần đến Quy ước nồng độ tạp: BJT npn pnp E B C NDE NAE NAB NDB NDC NAC **Với: NXY X: bán dẫn N → D Bán dẫn P → A Y: E, B, C **Theo thứ tự (nhìn bảng để hiểu hơn) Biểu thức phụ thuộc 𝛾𝑒 tham số khác: **Với: + DP: hệ số khuếch tán hạn dẫn thiểu số E + Dn: hệ số khuếch tán hạt dẫn thiểu số B + Lp: chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số E Biểu thức phụ thuộc B tham số khác: **Với: + 𝑊𝐵𝑛 = 𝑊𝐵 : bề rộng miền phần trung hòa + 𝐿𝐵 = 𝐿𝑛 : chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số B Độ lợi dòng điện: + Cực chung: 𝛼 = 𝐵 𝛾𝑒 = + Cực phát chung: 𝛽 = 𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝐼𝐸 𝛼 = 𝐼𝐵 1−𝛼 ** 𝛽 cao tần: tốc độ tái hợp thấp miền thời gian chuyển tiếp ngắn miền 𝐼 (𝑑ò𝑛𝑔 𝐷𝐶) ** 𝛽 DC: 𝛽= 𝐶 𝐼𝐵 (𝑑ò𝑛𝑔 𝐷𝐶) ∆𝐼 (𝑠ự 𝑡ℎ𝑎𝑦 đổ𝑖 𝐼𝐶 𝑑𝑜 𝑡í𝑛 ℎ𝑖ệ𝑢 𝐴𝐶) ** 𝛽 AC: 𝛽= 𝐶 ∆𝐼𝐵 (𝑠ự 𝑡ℎ𝑎𝑦 đổ𝑖 𝐼𝐵 𝑑𝑜 𝑡í𝑛 ℎ𝑖ệ𝑢 𝐴𝐶) ** 𝛽 phụ thuộc IC nhiệt độ • Các dịng điện BJT (ở chế độ tích cực thuận) Loại npn pnp Dịng điện thu IC 𝐼𝐶 = 𝐼𝑆 𝐸 𝐼𝐶 = 𝐼𝑆 Dòng điện phát IE 𝑉𝐵𝐸 ⁄𝑉 𝑇 𝑉𝐸𝐵 ⁄𝑉 𝑇 𝐸 Dòng điện IB 𝐼𝐶 𝛼 𝐼𝐶 𝐼𝐸 = 𝛼 𝐼𝐸 = **Với loại (CT chung) 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 +𝐼𝐵 (1) 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = 𝛼𝐼𝐸 (2) 𝐼𝑆 : dòng bão hòa ### CT bản, quên (2) vào (1) tìm đc quan hệ α & β 𝐼𝐶 𝛽 𝐼𝐶 𝐼𝐵 = 𝛼 𝐼𝐵 = **Dòng điện rỉ (rò): xét npn + ICBO: dòng từ C đến B E hở mạch + ICEO: dòng từ C đến E B hở mạch + Nhiệt độ tăng → dòng rĩ tăng + Cấu hình CB: 𝐼𝐶 = 𝛼𝐼𝐸 +𝐼𝐶𝐵𝑂 + Cấu hình CE: 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 +𝐼𝐶𝐸𝑂 **Với: 𝐼𝐶𝐸𝑂 • = 𝐼𝐶𝐵𝑂 1−𝛼 Các chế độ làm việc Xét phân cực dòng áp: **npn: IE ứng với VBE , IC ứng với VBC (phải ghi chiều, không đc đổi thứ tự chiều) + V > → phân cực thuận + V< → phân cực ngược **pnp: IE ứng với VEB , IC ứng với VCB (phải ghi chiều, không đc đổi thứ tự chiều) + V > → phân cực thuận + V< → phân cực ngược ### Các V cộng trừ quy tắc chèn điểm vecto (dùng giải BT) Chế độ làm việc npn **Với: + npn Si: VON = 0.7 V, VBESat = 0.7 – 0.8V, VCESat = 0.2V ### pnp đổi VBE → VEB , VCE → VEC + 𝛽𝑅 : β chế độ tích cực ngược Mơ hình tín hiệu chế độ làm việc (npn) • Các cấu hình mắc BJT **Mắc B chung (CB) + Thường dùng cho mạch khuếch đại cao tần + IC ≈ IE **Mắc E chung (CE) + Mạch khuếch đại + Khóa điện tử (do dòng điều khiển IB > ◼ Rout VTN : có lớp đảo ngược ◼ Miền tuyến tính (Triode/Ohm): **Cơng thức: **Nếu < VDS < VDSSat = VGS – VTN 𝑊 𝑉𝐷𝑆 𝐿 𝐼𝐷 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 ( ) {(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ) 𝑉𝐷𝑆 − |𝑉𝐷𝑆 | ≪ 2(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ) 𝑊 → 𝐼𝐷 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 ( ) (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ) 𝑉𝐷𝑆 𝐿 ◼ Miền bão hịa (miền tích cực): VDS ≥ VDSSat + VDS tăng → ID ≈ const + VDS = VDSSat  ID = IDSat = ID **Công thức: 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 𝑊 𝐿 𝐼𝐷 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 ( ) (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 )2 } ◼ VDS ≈ 0: ID tăng theo VDS ◼ VDS nhỏ > 0: ID tăng theo VDS, tốc độ tăng bị giảm **Công thức: ◼ VDS ≈ nghẹt: ID đạt đến giá trị bão hòa IDSat → VDS VDSSat ◼ VDS > VDSSat: + ID không tăng nữa, miền bão hòa + Khi VDS tăng → điểm nghẽn di chuyển phía cực nguồn  **Miền tắt miền tuyến tính: khóa điện tử **Miền bão hịa: phần tử khuếch đại tín hiệu, nguồn dịng • Các chế độ phân cực cho tụ MOS N-EMOS Tích lũy lỗ: phân cực âm kim loại – bán dẫn → giao tiếp bán dẫn cách điện có tích lũy lỗ Nghèo: phân cực dương kim loại – bán dẫn → giao tiếp bán dẫn cách điện bị lỗ đẩy xuống → nghèo Đảo ngược: phân cực dương + giá trị đủ lớn → hình thành kênh N bán dẫn P • Cấu trúc N-EMOS **Bản cực dẫn điện: thường dùng Polysilicon **Chất cách điện: SiO2 **Để tối thiểu hóa dịng điện miền thân miền S/D → nối miền thân vs cực nguồn • Sự tạo thành kênh dẫn N-EMOS • Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến N-EMOS • Một số đặc tính khơng lý tưởng MOSFET (Xét N-EMOS miền bão hòa) Điều chế chiều dài kênh dẫn: + VDS tăng → điểm nghẹt dịch chuyển nguồn → chiều dài kệnh dẫn hiệu dụng nhỏ → ID tăng → pt có dạng Hiệu ứng thân: VSB tăng → VTN tăng → ảnh hưởng đặc tuyến I –V Ảnh hưởng nhiệt độ: t0 tăng → VTN , độ linh động giảm → ID giảm Sự bão hịa vận tốc: kích thước transistor giảm, độ dày làm oxide mỏng → vận tốc điện tử bão hòa → pt dòng 𝑊 𝐿 𝐼𝐷 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 ( ) (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 )𝛼 • **Với α từ → (tùy cơng nghệ) Mơ hình tín hiệu nhỏ N –EMOS (kho N –EMOS làm việc miền bão hòa |𝑣𝑔𝑠 | < 0.2 ( 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ) **Ứng dụng MOSFET: khóa analog; điện trở điều khiển áp, nguồn dịng; phần tử khuếch đại tín hiệu mạch khuếch đại **Các cách mắc CS, CD, CG: • Mơ hình tín hiệu lớn N-EMOS (dùng để phân tích tổng qt hay tính điển tĩnh) • Tóm tắt quan hệ dòng –áp MOSFET ... miền nghèo (nhớ)  **Tổng quát: