Ôn thi cuối kỳ vật lý bán dẫn 15

► 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 – **Dịng 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: 𝑉𝑉 𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 ( 𝑉𝑉 )=𝑉𝑉 𝑉𝑉 ( 𝑉ồ𝑉𝑉 độ ℎạ𝑉 𝑉ẫ𝑉 đ𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉à𝑉 𝑉ồ𝑉𝑉 độ ℎạ𝑉 𝑉ẫ𝑉 ℎể𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉𝑉𝑉 ) ### Vd: (đ𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉) 𝑉𝑉0 𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉 {(ℎ ℎể𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉) 𝑉𝑉0 (đ𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉) 𝑉𝑉0 } = 𝑉𝑉 𝑉𝑉 {(ℎ ℎể𝑉 𝑉ố 𝑉ê𝑉 𝑉) 𝑉𝑉0 } 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 + 𝑉 : số điện môi bán dẫn Nhận biết phân cực chuyển tiếp? **Công thức: 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 − 𝑉𝑉 **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: 𝑉𝑉 ⁄ 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 (𝑉 𝑉𝑉 − 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) · Công thức bề rộng miền nghèo (nhớ) **Tổng quát: 𝑉 = 𝑉0 √1 − + Không phân cực: 𝑉 · 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 = 𝑉0 = √ 2𝑉 𝑉𝑉𝑉 + Phân cực thuận: 𝑉 = 𝑉0 √1 − + Phân cực ngược: 𝑉 = 𝑉0 √1 + 𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 ( 𝑉𝑉 + 𝑉𝑉 ) **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) → dịng khuếch tán thắng **Pt có sinh tái hợp: 𝑉𝑉 = 𝑉 (𝑉 𝑉𝑉 ⁄ƞ𝑉 𝑉 − 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: (𝑉𝑉 −𝑉𝑉 𝑉𝑉 ) ⁄ƞ𝑉 𝑉 {𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 − 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: 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉 =√ 2𝑉𝑉 (𝑉𝑉𝑉 +𝑉 ) 𝑉 ( 𝑉𝑉 + 𝑉𝑉 ) **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: 𝑉𝑉 𝑉𝑉 = Điện trở tĩnh RD (điện trở DC): = 𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 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: 𝑉 εS V W0 √1 − A Vbi = 𝑉0 = √ 2𝑉 𝑉𝑉𝑉 𝑉 A = .( 𝑉𝑉 Cj0 V √1 − A Vbi + 𝑉𝑉 ) → Cj0 **Với phân cực ngược: 𝑉𝑉 = −𝑉𝑉 < **Phân cực thuận: 𝑉𝑉 = −𝑉𝑉 > ### Cơng thức tính W i chang phần (ghi lại thôi) · A Các loại diode khác Diode chỉnh lưu (diode chuyển tiếp PN thông thường) + Chỉ cho dòng 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: 𝑉𝑉 = −�𝑉 < 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, tồn 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): 𝑉= 𝑉𝑉 **Với: + IC: dòng e đến miền thu 𝑉𝑉𝑉 + IEn: dòng e xuất phát từ E Hiệu suất phát 𝑉 : 𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 **Với: + IEn: dòng e xuất phát từ E 𝑉𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉 + IEp: dòng lỗ phần từ IEn qua IC **Để có hiệu cao: + e phát từ E lớn → 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉 tiến gấn đến 𝑉𝑉𝑉 ≫ 𝑉𝑉𝑉 + 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 𝑉𝑉 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: + 𝑉𝑉𝑉 = 𝑉 : bề rộng miền phần trung hòa + 𝑉𝑉 = 𝑉 : chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số B Độ lợi dòng điện: + Cực chung: 𝑉 = 𝑉 𝑉𝑉 = + Cực phát chung: 𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉 = 𝑉𝑉 1−𝑉 ** 𝑉 cao tần: tốc độ tái hợp thấp miền thời gian chuyển tiếp ngắn miền 𝑉 (𝑉ò𝑉𝑉 𝑉𝑉) ** 𝑉 DC: 𝑉= 𝑉 𝑉𝑉 (𝑉ò𝑉𝑉 𝑉𝑉) ∆𝑉 (𝑉ự ℎ đổ𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 𝑉í𝑉 ℎệ𝑉 𝑉𝑉) ** 𝑉 AC: 𝑉= 𝑉 ∆𝑉𝑉 (𝑉ự ℎ đổ𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 í𝑉 ℎệ𝑉 𝑉𝑉) ** 𝑉 phụ thuộc IC nhiệt độ · Các dòng điện BJT (ở chế độ tích cực thuận) Loại npn pnp Dòng điện thu IC 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 Dòng điện phát IE 𝑉𝑉𝑉 ⁄𝑉 𝑉 𝑉𝑉𝑉 ⁄𝑉 𝑉 𝑉 Dòng điện IB 𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉 𝑉𝑉 = **Với loại (CT chung) 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 +𝑉𝑉 (1) 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 (2) 𝑉 : dòng bão hòa ### CT bản, quên (2) vào (1) tìm đc quan hệ α & β 𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉 𝑉𝑉 = **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 → dịng rĩ tăng + Cấu hình CB: 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉𝑉 + Cấu hình CE: 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉𝑉 **Với: 𝑉𝑉𝑉𝑉 · = 𝑉𝑉𝑉𝑉 1−𝑉 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 + 𝑉 : 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 dịng điều khiển IB > ◼ Rout VTN : có lớp đảo ngược ◼ Miền tuyến tính (Triode/Ohm): **Cơng thức: **Nếu < VDS < VDSSat = VGS – VTN 𝑉 𝑉𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 ( ) {(𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉 ) 𝑉𝑉𝑉 − |𝑉𝑉𝑉 | ≪ 2(𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉 ) 𝑉 → 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 ( ) (𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉 ) 𝑉𝑉𝑉 𝑉 ◼ Miền bão hòa (miền tích cực): VDS ≥ VDSSat + VDS tăng → ID ≈ const + VDS = VDSSat ⌠ ID = IDSat = ID **Công thức: 𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉 𝑉 𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 ( ) (𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉 )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 khơng tăng nữa, miền bão hịa + 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 dòng · 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 𝑉 𝑉 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉 ( ) (𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉 )𝑉 · **Với α từ → (tùy cơng nghệ) Mơ hình tín hiệu nhỏ N –EMOS (kho N –EMOS làm việc miền bão hòa |𝑉𝑉𝑉 | < 0.2 ( 𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉 ) **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 ... 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... bán dẫn N → D Bán dẫn P → A Y: E, B, C **Theo thứ tự (nhìn bảng để hiểu hơn) Biểu thức phụ thuộc