Giáo trình Điện tử cơ bản 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH Ths Đinh Gia Huân giáo trình Điện tử IA IA®m IG IG IG IG = IAmin Ungmax Um3 UAKmin A A - j1 j2 j3 K + A K + A Um2 Um1 Um0 IG1 < IG2 < IG3 j1 j2 j3 + + Nam Định - 2009 K _ K _ UAK TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH Ths Đinh Gia Huân giáo trình Điện tử (Dùng cho sinh viên đại học ngành: Công nghệ kỹ thuật điện; Công nghệ điện, điện tử; Công nghệ tự động) Nam Định - 2009 LI NểI U K thuật điện tử ngành mũi nhọn phát triển Trong khoảng thời gian không dài, từ transistor phát minh (năm 1948) hai nhà khoa học người Mỹ John Bardeen W.H Brattain, kỹ thuật điện tử có bước phát triển nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi to lớn sâu sắc hầu hết lĩnh vực khác nhau, dần trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà trung tâm tự động hoá, tin học hoá, phương pháp công nghệ vật liệu mới) Môn học Điện tử gồm hai học phần: Điện tử Điện tử môn học sở chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật điện; Công nghệ tự động; Công nghệ điện, điện tử Để phục vụ việc giảng dạy cán học tập sinh viên chúng tơi biên soạn “Giáo trình Điện tử 1” dựa chương trình mơn học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định ban hành năm 2007 Nội dung giáo trình đề cập đến kiến thức cấu tạo, nguyên lý làm việc, tham số linh kiện điện tử dùng phổ biến công nghệ điện, điện tử Bên cạnh đó, giáo trình cịn giới thiệu số mạch ứng dụng thực tế để sinh viên tham khảo, nghiên cứu Giáo trình gồm chương: Chương 1: Diode bán dẫn Chương 2: Transistor Chương 3: Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT, FET Chương 4: Linh kiện nhiều mặt ghép Chương 5: Linh kiện quang điện Chương 6: Vi mạch (IC) Chúng tơi tỏ lịng biết ơn thầy giáo, cô giáo môn Kỹ thuật mạch & Xử lý tín hiệu, mơn Cơ sở kỹ thuật điện - Đo lường thuộc khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đóng góp nhiều ý kiến xây dựng để hồn chỉnh giáo trình Trong q trình biên soạn chúng tơi cố gắng thể nội dung cách bản, hệ thống, đại Tuy nhiên khoa học khơng ngừng phát triển khả có hạn nên chắn cịn nhiều thiếu xót, chúng tơi mong nhận đóng góp xây dựng bạn đọc đồng nghiệp để giáo trình ngày hồn thiện Xin chân thành cám ơn Ths Đinh Gia Huân Chương DIODE BÁN DẪN 1.1 Chất bán dẫn nguyên chất chất bán dẫn tạp 1.1.1- Cấu trúc vùng n ăng lượng chất rắn tinh thể Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn Điện trở suất vật liệu bán dẫn ςBD = (10-4 ÷ 1010) Ω.cm, nằm điện trở suất kim loại in tr sut ca in mụi Bán dẫn Kim loại 10 -6 10 Điện môi 10 10 10 ς [Ω cm ] 15 Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga, As, số bán dẫn khác Se, Ti số lo ại oxyt, Cacbit, Sulfua … Tính chất đặc trưng bán dẫn độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sáng điện trường Điện trở bán d ẫn giảm nhanh nhiệt độ tăng, ngược với kim loại điện trở tăng nhiệt độ tăng Sự phụ thuộc vào nhiệt độ điện trở (R) kim loại bán dẫn vẽ hình 1.1 R R Kim lo¹i Bán dẫn T T a) b) Hình 1.1: Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ: a) Kim loại, b) Chất bán dẫn Ta ó bit cu trúc lượng ngu yên tử đứng cô lập có dạng mức rời rạc Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức bị suy biến thành dải gồm nhiều mức sát gọi vùng lượng Đây dạng cấu trúc lượng điển hình vật rắn tinh thể Tuỳ theo tình trạng mức lượng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt loại vùng lượng khác nhau: - Vùng hoá trị (hay cịn gọi vùng đầy), tất mức lượng bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) lượng tự - Vùng dẫn (vùng trống), mức lượng cịn bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần - Vùng cấm, khơng tồn mức lượng để điện tử chiếm chỗ hay xác suất tìm thấy hạt dẫn Tuỳ theo vị trí tương đối loại vùng kể tr ên, xét theo tính chất dẫn điện, chất rắn cấu trúc tinh thể chia thành loại (xét 0o K): chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn, minh hoạ hình 1.2 Vïng dẫn Vùng cấm Vùng dẫn E E Vùng hoá trị Vùng dẫn Vùng hoá trị Vùng hoá trị a) b) c) Hình 1.2: Cấu trúc vùng lượng vật rắn: a) Chất cách điện E >2eV; b) Chất bán dÉn ®iƯn E ≤ 2eV; c) ChÊt dÉn ®iƯn Chúng ta biết , muốn tạo dòng điện vật rắn cần hai trình đồng thời: trình tạo hạt dẫn tự nhờ kích thích lượng q trình chuyển động có hướng hạt dẫn điện tác dụng điện trường Dưới ta xét tới đặc trưng dẫn điện chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác chủ yếu liên quan tới trình sinh (tạo) hạt tự mạng tinh thể 1.1.2 Bán dẫn Để giải thích đặc trưng dẫn điện chất bán dẫn, ta nghiên cứu thể tích lý tưởng tinh thể Ge Ge nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn Hình vẽ 1.3a mơ tả mạng tinh thể Ge mặt phẳng 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 đồng hoá trị cặp điện tử dùng chung Tổng hợp mức lượng điện tử hoá trị tinh thể Ge lý tưởng tạo nên giản đồ lượng biểu diễn hình 3b Trong đó: EC- mức lượng đáy vùng dẫn, EV - mức đỉnh vùng hoá trị, EF - mức Fecmi, ∆E độ rộng vùng cấm Ở nhiệt độ T = 00K: với bán dẫn khơng tạp chất, tất e hố trị tham gia mối liên kết đồng hoá trị Như chúng chiếm đầy tất mức lượng vùng hố trị Cịn vùng dẫn khơng có điện tử Như nhiệt độ T = o K, chất bán dẫn điện không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hoá trị E V đáy vùng cấm E C vùng cấm có độ rộng ∆E = EC - EV Với Ge: ∆E ∼ 0,72 eV Với Si: ∆E ∼ 1,2 eV Như vậy, để chuyển điện tử vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp lượng ≥ ∆E Năng lượng lượng nhiệt - - - Ge - - - - - - Vïng dÉn - - - Ge - - - - - Ph¸t sinh EF EV - - Ge - EC - Ge - - - ni - - Ge - - - Ge - Ge - + + pi - - - Ge E - - - Ge - ∆E - - + + Vùng hoá trị Tái hợp + + b) a) Hình 1.3: Mạng tinh thể (a) giản đồ l­ỵng cđa Ge tinh khiÕt (b) Khi nhiệt độ T > 00K: có lượng chuyển động nhiệt, có số điện tử phá vỡ 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 điện tích điện tích điện t Quá trình tạo nên cặp điện tử tự lỗ trống gọi trình sinh hạt tải biểu diễn mũi tên hình 1.3b Mật độ điện tử lỗ trống bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxwell- Boltzman n = N ne − EC − E F kT (1-1) p = N pe − E F − EV kT (1-2) Nn, Np: MËt ®é hiệu dụng trạng thái vùng dẫn vùng hóa trị k =1,38.10-23 j/K (hằng số Boltzman) Nhân (1-1) với (1-2), coi khối lượng hiệu dụng lỗ trống khối lượng hiệu dụng điện tử Nn ≈ Np ≈ N ta cã: n p = N e − Ec − EV kT =N e E kT (1-3) Trong trạng thái cân nhiệt ®éng, mËt ®iƯn tư vïng dÉn cđa b¸n dÉn không tạp chất ni mật độ lỗ trống vùng hoá trị pi, tức là: ni = pi = n (1-4) Tõ (1.3) ta suy ra: n = N e E kT (1-5) Từ công thức ta thấy mật độ hạt tải điện bán dẫn lớn nhiệt độ cao độ rộng vïng cÊm cµng nhá Tõ (1.1) vµ (1.2) ta cã: E Fi = EC − EV ∆E ∆E = EV + = EC − 2 (1-6) Nh­ vËy mức Fecmi bán dẫn 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 trình phát sinh nói trên, xảy trình điện tử nhảy từ vùng dẫn xuống lấp vào chỗ trống vùng hoá trị tạo nên trình tái hợp cặp điện tử lỗ trống Số tái hợp tỷ lệ với mật độ hạt tải điện Khi đặt điện trường E vào bán dẫn: chuyển động điện tử lỗ trống bán dẫn định hướng Nghĩa T > 0oK bán dẫn có khả dẫn điện Độ dẫn lớn cường độ trình phát sinh cặp điện tử lỗ trống lớn Độ dẫn bao gồm chuyển động điện tử chuyển động lỗ trống Như độ dẫn toàn phần phụ thuộc vo độ dẫn điện tử cộng với độ dẫn lỗ trống Gọi độ dẫn toàn phần ta có: = qnnàn + qppàp qn, qp: Điện tích điện tử lỗ trống àn, àp: Độ linh động điện tử lỗ trống (1-7) Độ dẫn gọi độ dẫn riêng bán dẫn (còn gọi độ dẫn bán dẫn không tạp chất} Bán dẫn không tạp chất ký hiệu bán dẫn loại i Độ dẫn riêng thường không lớn Hơn độ dẫn điện tử độ dẫn lỗ trống chuyển động điện tử bán dẫn (điện tử vùng dẫn chuyển động theo hướng ngược chiều với điện trường, điện tử vùng hoá trị chuyển 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 (200C) đối với: Ge: 2.1013cm-3, Si: 1,4.1010 cm-3 (mật độ nguyên tử mạng tinh thể 5.1022cm-3) 1.1.3 Bán dẫn tạp chất a Bán dẫn loại n Nếu tinh thể Ge đưa vào tạp chất nguyên tố nhóm V vÝ dơ As Nguyªn tư As sÏ chiÕm mét nót mạng As có điện tử lớp cùng, bỏ điện tử tạo nên liên kết đồng hoá trị thừa điện tử Các điện tử thừa nằm mức lượng tạp chất Ed, nằm vùng cấm gần đáy vùng dẫn gọi mức Donor (mức cho) Mức Ed cách vùng dẫn Ed np pp >> pn), vùng tiếp xúc có tượng khuyếch tán hạt đa số qua nơi tiếp giáp, điện tử bán dẫn n khuếch tán sang bán dẫn p, lỗ trống bán dẫn p khuÕch t¸n sang b¸n dÉn n, vËy xuÊt dòng điện khuyếch tán (Ikt) hướng từ p sang n Tại vùng lân cận (l0) hai bên mặt tiếp xúc, xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với vùng lại), đồng thêi xt hiƯn mét ®iƯn tr­êng néi bé h­íng tõ vïng n ... chuyển điện tử vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp lượng ≥ ∆E Năng lượng lượng nhiệt - - - Ge - - - - - - Vïng dÉn - - - Ge - - - - - Ph¸t sinh EF EV - - Ge - EC - Ge - - - ni - - Ge - - - Ge -. .. dÉn Ec - - np - - Ge In m - - Ge Lỗ trống - 3e - - - - - - - - - Ge - - Ge - - E - - - - + + + pp - ∆EA - Ge - E - Vùng hoá trị - n n ( 15 a) b) Hình 1. 5: Mạng tinh thể (a) giản đồ lượng (b) Ge... - - - nn - - - - - Ge §iƯn tư thõa - - - Ge - - EC Ed EF - - Ge Vïng dÉn - - + + + ∆Ed - - Ge - ∆E - - Ge E - - Ge - - Ge EV pn Vùng hoá trị - - - b) a) Hình 1. 4: Mạng tinh thể (a) giản đồ lượng