Tài liệu Chöông 2 - Caùc linh kieän baùn daãn Chöông 2 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN Thieát bò pptx

Chương - Các linh kiện bán dẫn Chương CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Thiết bị điện tử bao gồm nhiều loại linh kiện Đóng vai trò nhất, định hoạt động chất lượng máy móc điện tử nói chung linh kiện chế tạo từ chất bán dẫn, ví dụ diode, transistor, transistor trường (JFET, MOSFET,…), vi mạch (I.C) v.v … chúng thay cách hiệu cho phân tử hệ trước (đèn hai cực chân không, đèn ba cực, v.v…) Vì vậy, trước nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạch khuếch đại, mạch tạo dao động hình sin, tạo biến đổi dạng xung v.v…, chương tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động linh kiện 2.1 CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN: 2.1.1.Mạng tinh thể liên kết hoá trị: Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), … thuộc nhóm bảng tuần hoàn nguyên tố Chúng cấu tạo từ tinh thể có hình dạng xác định, nguyên tử xếp theo trật tự chặt chẽ, tuần hoàn, tạo nên mạng lưới, gọi mạng tinh thể Chẳng hạn mạng tinh thể Ge (hoặc Si) có hình tứ diện Để đơn giản, ta hình dung cấu trúc tinh thể bán dẫn mô hình phẳng h.21-1a Xung quanh nguyên tử bán dẫn (ví dụ Si) luôn có nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử Mối liên kết biểu thị hai gạch song song Mỗi nguyên tử có điện tử hoá trị lớp vỏ Do khoảng cách nguyên tử gần, điện tử chịu ảnh hưởng nguyên tử xung quanh Vì điện tử hoá trị hai nguyên tử cạnh có quỹ đạo chung biểu thị h.2-1-1b Quỹ đạo chung ràng buộc nguyên tử với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hoá trị (còn gọi liên kết đôi điện tử) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Quỹ đạo chung Si Si Si Si Si Hình 2-1-1 Cấu trúc tinh thể (a) liên kết hoá trị (b) Như thấy rõ từ hình vẽ, liên kết với bốn nguyên tử xung quanh, lớp vỏ nguyên tử Si bổ sung thêm điện tử, nghóa đủ số điện tử tối đa lớp vỏ (8 điện tử) đó, lớp trởû thành bền vững (ít có khả nhận thêm bớt điện tử) Trong trạng thái vậy, chất bán dẫn điện tích tự không dẫn điện Bài giảng Kỹ thuật điện tử 11 Chương - Các linh kiện bán dẫn 2.1.2 Điện tử tự lỗ trống - bán dẫn loại i: Tình trạng xảy chất bán dẫn khiết (không lẫn tạp chất) có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh có nhiệt độ thấp (T = 00K) Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao (hoặc cung cấp lượng dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá chùm tia v.v…), số điện tử hoá trị nhận thêm lượng thoát khỏi mối liên kết với nguyên tử, trởû thành tự do, chúng mang điện âm (q = 1,6.10-19 C) sẳn sàng chuyển động có hướng có tác dụng điện trưòng Ta gọi điện tử Khi điện tử xuất hiện, mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi thiếu điện tích âm –q, nghóa dư điện tích dương +q Ta gọi lỗ trống (hoặc: lỗ) Như vậy, chất bán dẫn khiết vừa xét (gọi bán dẫn i) có hai loại điện tích tự xuất cung cấp lượng: điện tử lỗ trống Mật độ chúng (nồng độ đơn vị thể tích) thường ký hiệu ni, pi ni = pi (2-1-1) Điện tử lỗ trống hai loại hạt mang điện, chuyển động có hướng tạo nên dòng điện, thường dược gọi chung hạt dẫn 2.1.3 Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chất bán dẫn khiết (Si Ge) pha thêm tạp chất thuộc nhóm (ví dụ Asenic Ge Si Si Si Phosphore Si) với hàm lượng thích đáng cho nguyên tử Si Si Si tạp chất chiếm chỗ nút mạng tinh thể thể dẫn điện thay đổi Thật khác với chất Si P Si (ví dụ Si h 2-1-2), nguyên tử tạp chất (chẳng hạn Phosphore) vỏ Si Si Si Điện tử có điện tử, điện tử thứ tham gia liên kết hóa trị với nguyên tử lân cận (tương tự liên kết Hình 2-1-2 Mạng tinh thể bán dẫn N mạng Si khiết) Điện tử thứ liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử xung quanh, cần cung cấp lượng nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng v.v…), điện tử thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trởû thành hạt dẫn tự Nguyên tử tạp chất bị ion hoá trởû thành ion dương Nếu có điện trường đặt vào, hạt dẫn tự nói chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện Như vậy, tạp chất nhóm cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên gọi tạp chất cho (hoặc tạp donor) Chất bán dẫn có pha tạp donor gọi bán dẫn loại N (hoặc bán dẫn điện tử) Nếu gọi Nd nồng độ tạp donor (chứa đơn vị thể tích chất bản) cung cấp lượng đầy đủ (chẳng hạn đặt chất bán dẫn môi trường có nhiệt độ cao 00K ví dụ –300C), toàn nguyên tử tạp chất đều bị ion hoá Nồng độ điện tử tự do tạp chất cung cấp tương ứng là: nd = N d 12 Bài giảng Kỹ thuật điện tử (2-1-2) Chương - Các linh kiện bán dẫn Ngoài tượng giải phóng điện tử tự nhờ tạp donor vừa nêu, riêng chất có trình sản sinh cặp điện tử - lỗ trống tác động nhiệt độ (hoặc ánh sáng,…), giống bán dẫn Vì tổng nồng độ điện tử tự chất bán dẫn loại N (ký hiệu nn) baèng : nn = N d + p n Si Si Si Si (2-1-3) Si pn nồng độ lỗ trống bán dẫn N Như bán dẫn naøy: nn >> pn Si Si Si B Si Si Si Lỗ trống (2-1-4) Hình 2-1-3 Mạng tinh thể bán dẫn P Ta gọi điện tử hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số Thông thường, người ta bỏ qua vai trò hạt dẫn thiểu số, lấy gần bán dẫn N: nn ≈ N d (2-1-5) Trường hợp tạp chất pha vào thuộc nhóm bảng tuần hoàn nguyên tố (chẳng hạn Bore Si, Indium Ge), lớp vỏ nguyên tử tạp chất có điện tử, tham gia vào mạng tinh thể chất (ví dụ Si h.2-1-3) tạo nên mối liên kết hoàn chỉnh, mối liên kết thứ tự bị bỏ hở Chỉ cần kích thích nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng,…) điện tử mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh đến vào liên kết bỏ hở nói Nguyên tử tạp chất lúc trởû thành ion âm Tại mối liên kết mà điện tử vừa khỏi dư điện tích dương, nghóa xuất lỗ trống Nếu có điện trường đặt vào, lỗ trống tham gia dẫn điện Như vậy, tạp chất nhóm tiếp nhận điện tử từ chất để làm sản sinh lỗ trống nên gọi tạp chất nhận (hoặc tạp acceptor) Chất bán dẫn có pha tạp nhóm gọi bán dẫn loại P (hoặc bán dẫn lỗ trống) Cũng trường hợp trên, gọi Na nồng độ tạp acceptor, điều kiện ion hoá toàn (ví dụ chất bán dẫn nhiệt độ từ –300C trởû lên), nồng độ lỗ trống tạp chất gây là: pa = Na (2-1-6) Ngoài số lỗ trống kể trên, chất tồn điện tử lỗ trống (số lượng nhau) tác động nhiệt độ ánh sáng gây nên, giống bán dẫn Vì vậy, ký hiệu nồng độ tổng lỗ trống điện tử chất bán dẫn loại P xét pp np thì: rõ ràng pp = Na + np (2-1-7) pp >> np (2-1-8) Lỗ trống hạt dẫn đa số, điện tử hạt dẫn thiểu số Thông thường, nồng độ hạt dẫn thiểu số không đáng kể, bán dẫn P, người ta lấy gần đúng: pp ≈Na Bài giảng Kỹ thuật điện tử (2-1-9) 13 Chương - Các linh kiện bán dẫn Tóm lại, tùy theo tạp chất pha vào thuộc nhóm hay nhóm mà chất bán dẫn (bán dẫn i) trởû thành bán dẫn P hay bán dẫn N Hạt dẫn đa số tương ứng lỗ trống điện tử Các nguyên tử tạp chất kích thích (nhời nhiệt độ ánh sáng…) trởû thành ion âm acceptor ion dương donor Định nghóa mang tính lý tưởng hoá Trên thực tế, nhiều chất bán dẫn có chứa hai loại tạp acceptor Khi Nd > Na chất bán dẫn thể bán dẫn loại N Tương tự Na > Nd: bán dẫn loại P Còn Nd ≈ Na: coi bán dẫn i Cũng cần lưu ý thêm trạng thái cân bằng, chất bán dẫn trung hòa điện, nghóa tổng điện tích dương trị số tổng điện tích âm thể tích 2.1.4 Giải thích chế dẫn điện theo lý thuyết vùng lượng Trên giải thích cách định tính dẫn điện ba loại bán dẫn dựa cấu tạo nguyên tử Để tính toán định lượng độ dẫn điện chất rắn nói chung, phù thuộc điện trởû xuất vật liệu vào tham số khác, người ta phải dùng lý thuyết vùng lượng mà đề cập sơ lược – Giản độ lượng điện tử chất rắn Như biết, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện dương lớp vỏ điện tử mang điện âm (gọi lớp K, L, M … đánh số số lượng tử n = 1, 2, 3…) Mỗi lớp lại phân thành số lớp nhỏ (ký hiệu 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…) số lượng điện tử tối đa lớp số xác định Ví dụ lớp s (1s, 2s 3s,…) lớp có tối đa điện tử, lớp p (2p, 3p, 4p,…) lớp có tối đa điện tử Điện tử lớp nhỏ có lượng W định Các giá trị lượng rời rạc, xếp thành nhiều mức khác Đồ thị biễu diễn mức lượng điện tử điện tử cô lập (cách xa nguyên tử khác) h.2-1-4 (con số ghi mức số điện tử tối đa mức đó) Ta thấy lớp vỏ gần hạt nhân có lượng bé Càng xa hạt nhân, lượng tăng, đồng thời khoảng cách mức giảm dần Các mức phía sít nhau, gần liên tục Điện tử có xu hướng “chiếm” mức lượng bé trước, tức xếp lớp vỏ phía trước Sau đó, lớp bên đầy “chiếm” dẫn Vì lớp phía có đủ số điện tử tối đa (gọi lớp đầy mức đầy), lớp phía thường chưa đầy trống Chỉ điện tử lớp vỏ chưa đầy có khả thoát khỏi trạng thái ràng buộc trởû thành tự Trong mạng tinh thể chất rắn, nguyên tử không đứng đơn độc mà xếp gần Vì trạng thái lượng điện tử bị thay đổi Mỗi mức lượng, đặc trưng cho lớp nhỏ nguyên tử cô lập trước đây, bị phân ly thành nhiều mức khác nhau, kế cận nhau, tạo thành vùng lượng Số lượng mức vùng lớn (bằng số lượng nguyên tử tạo nên mạng tinh thể), khoảng cách mức bé, coi vùng lượng liên tục Tuỳ theo cự ly nguyên tử, tức tuỳ theo “hằng số mạng tinh thể” nguyên tố, mà đồ thị vùng lượng nguyên tố khác nhau: vùng lượng cho phép (tương ứng với mức rời rạc trước đây) gối nhau, tách rời nhau, cách vùng mức cho phép (vùng cấm) W 4d 3d 4p 4s 3p 10 10 6 3s 2p 2s 1s Hình 2.1.4 Các mức lượng điện tử nguyên tử cô lập Hình 2-1-5a minh hoạ trình phân ly mức lượng thành vùng lượng khoảng cách nguyên tử d giảm dần đồi vời trường hợp Berium Tương ứng với cự ly d0 mạng tinh thể Berium (Be), giản đồ vùng lượng (còn gọi cấu trúc vùng lượng ) có dạng h.2-1-5b 14 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Ta thấy mức đầy 2s mức trống W W 2p phân ly thành hai vùng gối lên nhau, tạo thành vùng chung chưa đầy Khi kích thích, điện tử vùng dễ dàng nhận thêm lượng để nhảy lên chiếm mức trống phía trước, nghóa trởû thành Vùng trống 2p điện tử tự chúng sẵn sàng chuyển (vùng dẫn) động có hướng tạo nên dòng điện có điện trường tác dụng 2s Vùng lượng tương ứng với Vùng đầy mức có đủ số điện tử tối đa chiếm (vùng hoá trị) giữ gọi vùng đầy Vùng lượng ứng với mức trống gọi vùng trống Phạm vi hai vùng, Vùng cấm không chứa mức lượng cho phép điện tử, gọi vùng 1s Vùng đầy cấm Thông thường, người ta quan tâm đến điện tử có khả dẫn điện, O tức điện tử lớp vỏ b) a) Vùng lượng ứng với chúng gọi vùng hoá trị Vùng trống phía (kề Hình 2.1.5 Phân ly mức thành vùng lượng sát cách ly vùng cấm) gọi vùng dẫn điện (hoặc vùng dẫn) Người ta ý đến vùng này, vùng cấm vùng đầy tương ứng với lớp điện tử phía trong, để ý 2- Sự dẫn điện kim loại, điện môi bán dẫn Giản đồ vùng lượng 00K sở để phân tích ba loại ba loại vật rắn điển hình: kim loại, điện môi bán dẫn Đối với kim loại, giản đồ vùng lượng có dạng hình 2-1-6a Ở đây, tương tự trường hợp Berium vừa giới thiệu trên, vùng dẫn vùng hoá trị gối lên nhau, vùng cấm xen vào Vì vậy, nhiệt độ xấp xỉ 00K, điện tử nhảy lên chiếm mức trống vùng dẫn, trởû thành tự tham gia dẫn điện Đối với chất điện môi (chất cách điện), vùng dẫn cách vùng hoá trị bề rộng vùng cấm Wg tương đối lớn (H.2-16b) Ở 00K vùng dẫn hoàn toàn trống, điện tử, chất điện môi không dẫn điện Trong vùng hoá trị mức trống điện tử thay đổi lượng Muốn trởû thành tự để tham Vùng dẫn Vùng dẫn Wg Vùng hoá trị Wg WC WV Vùng hoá trị a) b) c) Hình 2.1.6 Giản đồ vùng lượng kim loại (a), điện môi (b) bán dẫn (c) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 15 Chương - Các linh kiện bán dẫn gia dẫn điện, điện tử vùng hoá trị phải cung cấp lượng lớn, đủ sức vượt bề rộng vùng rộng để chiếm mức trống vùng dẫn Nhưng Wg lớn, khả khó xảy Vì điều kiện bình thường, dù có điện áp đặt vào, chất điện môi chất cách điện Trường hợp chất bán dẫn (H.2-1-6c) bề rộng vùng cấm hẹp nhiều so với chất điện môi (ví dụ Si có Wg = 1,1 eV, Ge có Wg = 0,7 eV) Vì vậy, cung cấp lượng, số điện tử vùng hoá trị vượt qua vùng cấm, nhảy lên chiếm mức phía vùng dẫn để tham gia dẫn điện Quá trình tường ứng với tượng xảy cấu trúc nguyên tử nói tới 2-1-2: điện tử hoá thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trởû thành tự Mức lượng vùng hoá trị mà điện tử vừa rời khỏi, trước đặc trưng lỗ trống Khả dẫn điện chất bán dẫn tốt hay xấu tuỳ thuộc vào số lượng điện tử tự vùng dẫn số lượng lỗ trống vùng hoá trị Con số lại phụ thuộc hai yếu tố : - Số lượng mức lượng vùng dẫn vùng hoá trị (hoặc nói cách khác: mật độ phân bố mức lượng hai vùng đó) - Tình trạng có hay điện tử mức vùng dẫn, có hay lỗ trống mức vùng hoá trị (Nói cách khác: xác suất chiếm mức lượng điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị) Vật lý thống kê học lượng tử xác định hàm phân bố xác suất nói Từ tính nồng độ hạt dẫn chất bán daãn: ⎛ W − WF ⎞ n = N c exp⎜ − c ⎟ kT ⎠ ⎝ ⎛ W − Wv ⎞ p = N v exp⎜ − F ⎟ kT ⎠ ⎝ (2-1-10) (2-1-11) đó: Wc mức lượng thấp (đáy) vùng dẫn; Wv mức lượng cao (đỉnh) vùng hoá trị (xem h.2-1-6c); k số Bolzman; T : nhiệt độ tuyệt đối chất bán dẫn; WF lượng Fecmi (còn gọi: mức fecmi) đại diện cho lượng lớn mà điện tử có 00K (hoặc lượng mà xác suất điện tử có giá trị 50% nhiệt độ lớn 00K) Vị trí mức Fecmi giản đồ lượng tuỳ thuộc vào loại tạp chất nồng độ chúng Nc, Nv mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn vùng hoá trị Giá trị chúng tăng theo nhiệt độ (tỷ lệ với T3/2) Lấy tích số (2-1-10) (2-1-11), lưu ý rằng: Wc - Wv = Wg (bề rộng vùng cấm) Ta đến : ⎛ W ⎞ np = N c N v exp⎜⎜ − g ⎟⎟ ⎝ kT ⎠ (2-1-12) vậy, tích số nồng độ hạt dẫn da số thiểu số chất bán dẫn phụ thuộc nhiệt độ bề rộng vùng cấm, không phụ thuộc vị trí mức Fecmi, nghóa không phụ thuộc vào nồng độ tạp pha vào Đối với chất bán dẫn : ⎛ − wg ⎞ ⎟⎟ n i = p i = N c N v exp⎜⎜ ⎝ 2kT ⎠ (2-1-13) ta thấy nồng độ hạt dẫn (và độ dẫn điện) bán dẫn tăng nhanh theo nhiệt độ tỉ lệ ⎡ với ⎢T ⎣ 3/ ⎛ − w g ⎞⎤ ⎟⎟⎥ exp⎜⎜ ⎝ 2kT ⎠⎦ Do tích np không phụ thuộc nồng độ tạp chất, hệ thúc (2-1-12) thường viết lại dạng: np = ni2 (2-1-14) Biểu thức đặc trưng cho chất bán dẫn trạng thái cân 16 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Trên hình 2-1-7 giản đồ lượng điện tử bán dẫn N Tạp chất donor có mức lượng Wd nằm vùng cấm, gần sát đáy Wc vùng dẫn Vì cần nhận lượng bé điện tử hoá trị tạp nhảy từ mức Wd lên vùng dẫn, trởû thành tự do, nguyên tử donor trởû thành ion dương (Quá trình “nhảy mức” tương ứng với tượng mô tả cấu trúc nguyên tử trước đây: điện tử thứ liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử xung quanh, dễ dàng trởû thành điện tử tự do) Wd - - Wg + + + WC WV Hình 2.1.7 Giản đồ vùng lượng bán dẫn N Ở nhiệt độ bình thường, lượng nhiệt mà điện tử nhận vượt xa giá trị lượng cần thiết nói trên, vùng dẫn luôn có điện tử tự toàn tạp donor bị ion hoá Trong điều kiện đó, nồng độ điện tử tự bán dẫn N xác định theo (2-1-3): nn = Nd + Pn ≈ Nd Còn nồng độ lỗ trống suy từ (2-1-14): n i2 n i2 pn = = n n Nd (2-1-15) ta thấy, nồng độ ni tăng nhiều theo nhiệt độ [xem (2-1-13)] nên nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng nhanh theo nhiệt độ Trên hình 2-1-8 giản đồ lượng điện tử bán dẫn loại P Tạp acceptor có mức lượng Wa nằm vùng cấm, gần với đỉnh Wv vùng hoá trị Khi cung cấp lượng tương đối bé (nhờ nhiệt độ, ánh sáng v.v…), điện tử từ mức phía vùng hoá trị nhảy lên chiếm mức Wa để lại mức trống tức lỗ Còn nguyên tử tạp chất trởû thành ion âm Wa - Wg - WC - - WV Quá trình tương ứng với tượng mối Hình 2.1.8 Giản đồ vùng liên kết tạp chất nhóm bị bỏ hở, điện tử từ nguyên tử bên lượng bán dẫn P cạch đến chỗ làm xuất lỗ trống Trong điều kiện toàn tạp chất bị ion hoá (điều thường xảy ra) nồng độ lỗ trống bán dẫn P xác ñònh theo (2-1-7): pa = Na + np ≈ Na Còn nồng độ hạt dẫn thiễu số xác định dựa vào (2-1-14): n2 n2 np = i = i pp Na (2-1-16) Cũng trường hợp rõ ràng nồng độ tăng nhanh theo nhiệt độ 2.2 CHUYỂN ĐỘNG TRÔI VÀ KHUẾCH TÁN CỦA HẠT DẪN 2-2-1 Chuyển động trôi Như biết, đặt điện tử lỗ trống vào môi trường chân không có điện trường tác dụng, hạt dẫn chuyển động có gia tốc (nhanh dần chậm dần đều) Ở mạng tinh thể chất rắn, tình hình xảy không hoàn toàn Mạng tinh thể chứa Bài giảng Kỹ thuật điện tử 17 Chương - Các linh kiện bán dẫn nhiều nguyên tử (kể tạp chất), chúng luôn dao động nhiệt Vì chịu tác dụng điện trường, hạt dẫn đường chuyển động có gia tốc va chạm với nguyên tử mạng tinh thể Mỗi lần va chạm làm thay đổi trị số chiều vận tốc nghóa làm tán xạ chúng Chuyển động hạt dẫn mạng tinh thể chất rắn tác dụng điện trường gọi chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn) Trong chuyển động trôi, vận tốc trung bình điện tử lỗ trống tỷ lệ với cường độ điện trường (hoặc gradien điện thế) gây chuyển động đó: dϕ (2-2-1) v n = −µ n E = µ n dx dϕ (2-2-2) v p = µ p E = −µ p dx Hệ số tỷ lệ hai hệ thức gọi độ linh động điện tử (µn) lỗ trống (µp) Về ý nghóa, chúng vận tốc trôi trung bình hạt dẫn điện trường đơn vị (1 V/cm) Trị số µ phụ thuộc vào nhiệt độ, vào nồng độ tạp chất Ngoài ra, điện trường lớn, phụ thuộc vào cường độ điện trường Ở nhiệt độ thường (3000K), giá trị điển hình chúng sau: Trong Ge : µn = 3800cm2/V.S, µp = 1800cm2/V.S V + Trong Si : µn = 1300cm2/V.S, µp = 500cm2/V.S Dòng điện chuyển động trôi hạt dẫn gây nên gọi dòng điện trôi Để xác định dòng này, ta giả thiết đặt chất bán dẫn (có nồng độ điện tử lỗ trống n, p) vào điện trường cường độ E h 2-2-1 (E dương trùng với chiều dương trục x) E I + vp - l x Số lượng điện tích qua đơn vị tiết diện, đơn vị thời gian (tức mật độ dòng trôi) là: Hình 2-2-1 Chuyển động trôi (2-2-3) (jn)tr = (-q)nvn = qnµnE (2-2-4) hạt dẫn tác dụng điên trường (jp)tr = qnvp = qnµpE (vn có dấu âm điện tử chạy ngược trục x) Hai dòng chiều Vì mật độ trôi tổng hợp 2-2-5) Jtr = (jp)tr + (jn)tr = q(pµn + pµp)E Mặt khác gọi ρ điện trở xuất (hoặc σ = 1/ρ điện dẫn suất) chất bán dẫn xét điện trởû khối bán dẫn vẽ H.2-2-1 xác định bởi: 1 l (2-2-6) R =ρ = S σS l chiều dài, S tiết diện khối bán dẫn Khi có điện áp V đặt vào, mật độ dòng điện trôi qua chất bán dẫn xác định theo định luật Ohm: I V (2-2-7) jtr = = s SR Thay R theo (2-2-6), đồng thời giả thiết điện trường khối bán dẫn đều: E = V/I ta đến : (2-2 8) jtr = σE So sánh (2-2-8) với (2-2-5), ta xác định điện dẫn suất bán dẫn: 18 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn σ = q(pµp + nµn) (2-2-9) Rõ ràng nồng độ hạt dẫn lớn, độ linh động hạt dẫn cao điện dẫn suất chất bán dẫn lớn (hoặc điện trởû suất nhỏ) Trường hợp bán dẫn (ni = pi): σi = qni(µp + µn) (2-2-9a) σn = qnnµn (2-2-9b) σp ≈ qppµp (2-2-9c) Bán dẫn loại N (nn >> pn): bán dẫn loại P (pp >> np) 2.2.2 Chuyển động khuếch tán Trong chất rắn, hình thức chuyển động trôi tác dụng điện trường, hạt dẫn chuyển động khuếch tán Dạng chuyển động xảy cho phần tử vật chất có phân bố không đồng thể tích (Nói cách khác: gradien nồng độ khác không) Đối với chất bán dẫn, nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đồng đều, Chúng khuếch tán từ nơi nồng độ cao nơi nồng độ thấp Dòng điện chuyển động có hướng gây gọi dòng điện khuếch tán Để đơn giản, giả thiết nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đồng theo phương x (h2.2.2) Số lượng hạt dẫn khuếch tán qua đơn vị tiết diện thời gian dt tỷ lệ với dp dn mức chênh lệch nồng độ ( ; , gọi: gradien dx dx nồng độ) tỷ lệ với thời gian dt: dp (2-2-10) dP = − D p dt dx dn dN = − D n dt dx (dấu trừ khuếch tán phía nồng độ giảm) p n dN + dP p(x) O n(x) x (jp)kt (jn)kt Hình 2-2-2 Phân bố không hạt dẫn gây nên chuyển động khuếch tán (2-2-11) Hệ số tỷ lệ Dp, Dn gọi hệ số khuếch tán lỗ trống điện tử Mật độ dòng điện khuếch tán chuyển động gây (chiều dương quy ước chiều trục x) là: dP dN jkt = ( jp ) kt + ( jn ) kt = q + ( −q ) dt dt dp dn dn dp ⎞ ⎛ (2-2-12) = −qD p + qD n = q⎜ D n − Dp ⎟ dx dx dx dx ⎠ ⎝ Trong ví dụ nêu H.2-2-2, theo chiều trục x, nồng độ p giảm dần, nồng độ n tăng dp dn dần, nghóa âm, dương Vì hai số hạng (2-2-12) dấu, nói cách dx dx Bài giảng Kỹ thuật điện tử 19 Chương - Các linh kiện bán dẫn khác: dòng điện khuếch tán điện tử lỗ trống chiều Đây trường hợp chuyển tiếp P-N (hoặc diode bán dẫn) mà ta đề cập phần sau Hệ số khuếch tán Dp, Dn phụ thuộc vào nhiệt độ độ linh động hạt dẫn Người ta có hệ thức Einstein sau đây: Dp =ϕTµp (2-2-13a) Dn =ϕTµn (2-2-13b) Trong ϕT số, phụ thuộc nhiệt độ có thứ nguyên điện thế, gọi điện nhiệt: kt ϕT = (2-2-14) q k: số bolzman q: điện tích điện tử T: nhiệt độ tuyệt đối chất bán dẫn Ở nhiệt độ thường (T = 3000K), thay giá trị k q vào có: ϕT = 0,025V =25mV (2-2-15) 2-3 CHUYỂN TIẾP P-N VÀ ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU Sau có khái niệm chế dẫn điện loại bán dẫn phương thức chuyển động hạt dẫn chúng, khảo sát tượng xảy tiếp xúc hai bán dẫn khác loại a + + + - 2.3.1 Chuyển tiếp P-N trạng thái cân Giả sữ có hai khối bán dẫn loại P loại N tiếp xúc theo tiết diện phẳng h.2-3-1a Trước tiếp xúc, khối bán dẫn nằm trạng thái cần (tổng điện tích cần với tổng điện tích âm thể tích) đồng thời giả thiết nồng độ hạt dẫn nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều, tiếp xúc nhau, chênh lệch nồng độ (pp >> pn; nn >>np) xảy tượng khuếch tán hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ P sang N) mà mật độ dòng tổng hợp xác định (2-2-12): Trên đường khuếch tán, điện tích khác dấu tái hợp với nhau, làm cho vùng hẹp hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống thấp (hình 2-3-1b) Tại vùng (vùng có bề dày l0 hình 2-3-1a), Bên bán dẫn P lại ion âm acceptor, bên bán dẫn N lại ion donor, nghóa hình thành hai lớp điện tích không gian khác dấu đối diện (h.2-31c) Giữa hai lớp điện tích có chênh lệch 20 p,n P N - + - - - + + + + - + - - - + + + + - + - - - + + + + lo pp nn pn np b O lp Q c ϕ d) ln + O x x Etx Vtx O x lp + ln Hình 2-3-1 Sự hình thành chuyển tiếp P-N; (a) phân bố nồng độ hạt dẫn; (b) mật độ diện tích; (c) phân bố điện thế; (d) theo phương x Bài giảng Kỹ thuật điện tử ... t1 t2 T t3 t4 t5 d) Hình 2. 4.6 29 Chương - Các linh kiện bán dẫn Như mạch h . 2- 4-7 a đơn giản hoá thành mạch ôû h 2- 4-7 c hoaëc h . 2- 4-7 d 1,5 10 sin ωt + = + sin ωt b) Với số liệu cho: v T = 2, 5 2, 5... chênh leäch 20 p,n P N - + - - - + + + + - + - - - + + + + - + - - - + + + + lo pp nn pn np b O lp Q c ϕ d) ln + O x x Etx Vtx O x lp + ln Hình 2- 3-1 Sự hình thành chuyển tiếp P-N; (a) phân bố nồng... ⎞ ⎛ ( 2- 2- 12) = −qD p + qD n = q⎜ D n − Dp ⎟ dx dx dx dx ⎠ ⎝ Trong ví dụ nêu H . 2- 2 -2 , theo chiều trục x, nồng độ p giảm dần, nồng độ n tăng dp dn dần, nghóa âm, dương Vì hai số hạng ( 2- 2- 12) dấu,