BÀI 3: LINH KIỆN BÁN DẪN Mó bài : 13-

220 E= Ω, R47 = 0,47Ω

BÀI 3: LINH KIỆN BÁN DẪN Mó bài : 13-

Mó bài : 13- 03

Giới thiệu:

Trong mạch điện tử nếu chỉ thuần cỏc linh kiện thụ động thì khụng thể hoạt động được, do cỏc thụng tin khụng được tạo ra hoặc khụng được biến đổi và khụng được xử lý (điều chế, khuếch đại, chuyển đổi sang cỏc dạng tớn hiệu khỏc..). Linh kiện tớch cực trong mạch giữ vai trũ quan trọng khụng thể thiếu được, là điều kiện để tạo ra cỏc thụng tin tớn hiệu, biến đổi và xử lớ thụng tin, là nền tảng cấu tạo nờn thiết bị điện tử. Ngày nay, với sự phỏt triển khụng ngừng của khoa học, cụng nghệ, nhất là cụng nghệ bỏn dẫn, trong cỏc thiết bị điện tử, chỳng ta gặp chủ yếu là linh kiện bỏn dẫn.

Mục tiờu:

- Phõn biệt được cỏc linh kiện bỏn dẫn cú cụng suất nhỏ: điốt nắn điện, điốt tỏch súng, led theo cỏc đặc tớnh của linh kiện.

- Sử dụng được bảng tra để xỏc định đặc tớnh kỹ thuật linh kiện theo nội dung bài đó học.

- Phõn biệt được cỏc loại linh kiện bằng mỏy đo VOM/ DVOM theo cỏc đặc tớnh của linh kiện.

- Kiểm tra đỏnh giỏ được chất lượng linh kiện bằng VOM/ DVOM trờn cơ sở đặc tớnh của linh kiện.

- Rốn luyện tớnh chớnh xỏc, nghiờm tỳc trong học tập và trong thực hiện cụng việc.

1.Khỏi niệm chất bỏn dẫn

Mục tiờu:

- Trình bấy được cỏc tớnh chất của chất bỏn dẫn

- Trình bấy được sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết ,trong tạp chất - Trình bầy được ưu nhược điểm của chất bỏn dẫn

1.1.Định nghĩa: Chất bỏn dẫn là chất cú đặc tớnh dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cỏch điện.

Sự phõn chia trờn chỉ cú tớnh chất tương đối, vì điện trở suất của chất bỏn dẫn cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc, nếu chỉ dựa vào điện trở suất để định nghĩa thì chưa thể biểu thị đầy đủ cỏc tớnh chất của cỏc chất bỏn dẫn.

1.2.Cỏc tớnh chất của chất bỏn dẫn

Điện trở của chất bỏn dẫn giảm khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng khi nhiệt độ giảm. Một cỏch lý tưởng ở khụng độ tuyệt đối (- 2730C) thì cỏc chất bỏn dẫn đều trở thành cỏch điện. Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi rất nhiều theo độ tinh khiết. Cỏc chất bỏn dẫn hoàn toàn tinh khiết cú thể coi như cỏch điện khi ở nhiệt độ thấp. Nhưng nếu chỉ cú một chỳt tạp chất thì độ dẫn điện tăng lờn rất nhiều, thậm chớ cú thể dẫn điện tốt như cỏc chất dẫn điện.

Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng. Cường độ ỏnh sỏng càng lớn thì điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi càng lớn .

Khi cho kim loại tiếp xỳc với bỏn dẫn hay ghộp hai loại bỏn dẫn N và P với nhau thì nú chỉ dẫn điện tốt theo một chiều. Ngoài ra, cỏc chất bỏn dẫn cú nhiều đặc tớnh khỏc nữa.

1.3. Sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết

Người ta đó nghiờn cứu và đưa ra kết luận: dũng điện trong cỏc chất dẫn điện là do cỏc điện tử tự do chạy theo một chiều nhất định mà sinh ra. Cũn dũng điện trong chất bỏn dẫn khụng những do sự di chuyển cú hướng của cỏc điện tớch õm (điện tử), mà cũn là sự di chuyển cú hướng của cỏc điện tớch dương (lỗ trống).

Bỏn dẫn thuần : là bỏn dẫn duy nhất khụng pha thờm chất khỏc vào.

Sự dẫn điện của bỏn dẫn thuần.

Vớ dụ: Xột bỏn dẫn tinh khiết Si, Si cú 4 điện tử ở lớp ngoài cựng, 4 điện tử này sẽ liờn kết với 4 điện tử của bốn nguyờn tử kế cận nú, hình thành mối liờn kết gọi là liờn kết cộng húa trị cho nờn ở nhiệt độ thấp mối liờn kết này khỏ bền vững. sẽ khụng cú thừa điện tử tự do, do đú khụng cú khả năng dẫn điện. Gọi là trạng thỏi trung hoà về điện.(hình 3-1)

Hình 3-1.Mạng tinh thể của Si

Khi nhiệt độ tỏc động vào chất bỏn dẫn tăng lờn, thì điện tử lớp ngoài cựng được cung cấp nhiều năng lượng nhất. Một số điện tử nào đú cú đủ năng lượng thắng được sự ràng buộc của hạt nhõn thì rời bỏ nguyờn tử của nú, trở thành điện tử tự do, di chuyển trong mạng tinh thể. Chỗ của chỳng chiếm trước đõy trở thành lỗ trống và trở thành ion dương. Ion dương cú nhu cầu lấy một điện tử bờn cạnh để trở về trạng thỏi trung hoà về điện.

Sẽ cú một điện tử của Si bờn cạnh nhảy vào lấp chỗ trống. Lại tạo nờn một lỗ trống khỏc và sẽ cú một điện tử ở cạnh đú nhảy vào lấp chỗ trống.(hình 3-2)

Hình 3-2.Sự tạo thành lỗ trống và điện tử tự do

Cứ như vậy, mỗi khi cú một điện tử tự do thoỏt khỏi ràng buộc với hạt nhõn của nú, di chuyển trong mạng tinh thể, thì cũng cú một lỗ trống chạy trong đú.

Thực chất, sự di chuyển của lỗ trống là do di chuyển của cỏc điện tử chạy tới lấp lỗ trống.

Trong chất bỏn dẫn tinh khiết bao giờ số điện tử và số lỗ trống di chuyễn cũng bằng nhau. Ở nhiệt độ thấp thì chỉ cú ớt cặp điện tử lỗ trống di chuyển. Nhưng nhiệt độ càng cao thì càng cú nhiều cặp điện tử, lỗ trống di chuyễn. Sự di chuyển này khụng cú chiều nhất định nờn khụng tạo nờn dũng điện.

Nếu bõy giờ đấu thanh bỏn dẫn với hai cực dương, õm của một pin, thì giữa hai đầu thanh bỏn dẫn cú một điện trường theo chiều từ A đến B (hình 3.3.). Cỏc điện tử sẽ di chuyển ngược chiều điện trường, cỏc điện tử tới lấp lỗ trống cũng chạy ngược chiều điện trường. Dũng điện tử và dũng lỗ trống hợp thành dũng điện trong thanh bỏn dẫn. nhiệt độ càng tăng thì dũng điện càng lớn. (hình 3-3)

B 0- 0- --> 0- --> d ò n g l ỗ tr ố n g 0 - - - > d ò n g đi ệ n tử 0-- -> --> 0- 0 - - - > 0-- -> 0- --> o---> 0 - - - > 0 - - - > 0 - - - > 0- --> --> 0- 0 - - - > 0- --> _ 0-- -> 0- --> 0 - - - > E 0 - - - > --- --- --- --- -> + E 0- --> A --- --- --- --- -> 0 - - - > 0 - - - >

Hình 3-3. Chiều chuyển động của cỏc điện tử và lỗ trống 1.3 Sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tạp

Bỏn dẫn tạp chất là bỏn dẫn cú pha thờm chất khỏc vào. Tựy vào chất khỏc là chất nào mà cú hai loại bỏn dẫn tạp chất: bỏn dẫn loại N và bỏn dẫn loại P.

Bỏn dẫn N: Bỏn dẫn loại N cũn gọi là bỏn dẫn điện tử hay bỏn dẫn õm..

Nếu cho một ớt tạp chất antimoan (Sb) vào tinh thể Si tinh khiết ta thấy hiện tượng sau: nguyờn tử Sb cú năm điện tử ở lớp ngoài cựng, nờn chỉ cú 4 điện tử của antimoan (Sb) kết hợp với bốn điện tử liờn kết giữa antimoan (Sb) và bốn nguyờn tử Si, cũn điện tử thứ năm thì thừa ra. Nú khụng bị ràng buộc với một nguyờn tử Si nào, nờn trở thành điện tử tự do di chuyển trong tinh thể chất bỏn dẫn. Do đú, khả năng dẫn điện của loại bỏn dẫn này tăng lờn rất nhiều so với chất bỏn dẫn thuần. Nồng độ tạp chất antimoan (Sb) càng cao thì số điện tử thừa càng nhiều và chất

bỏn dẫn càng dẫn điện tốt. Hiện tượng dẫn điện như trờn gọi là dẫn điện bằng điện tử. Chất bỏn dẫn đú gọi là chất bỏn dẫn N. (hình 3-4)

Hình 3-4.Mạng tinh thể của chất bỏn dẫn loại N

Nếu cho tạp chất hoỏ trị 5 như phốt pho (P), asen (As), antimoan (Sb) vào cỏc chất hoỏ trị 4 như gecmani (Ge), silic (Si), cacbon (C) ta cú bỏn dẫn N. Trong chất bỏn dẫn loại N thì cỏc điện tử thừa là cỏc hạt điện tớch õm chiếm đa số. Số lượng điện tử thừa phụ thuộc nồng độ tạp chất. Cũn số cỏc cặp điện tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thì phụ thuộc vào nhiệt độ.

Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại N, thì dưới tỏc động của điện trường E cỏc điện tử chạy ngược chiều điện trường cũn cỏc lỗ trống chạy cựng chiều điện trường. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện.

Dũng điện do cỏc điện tử thừa sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cỏc cặp điờn tử - lỗ trống tạo nờn . Vì thế cỏc điện tử thừa này gọi là điện tớch đa số.

Bỏn dẫn P: Bỏn dẫn loại P cũn gọi là bỏn dón lỗ trống hay bỏn dẫn dương. Nếu cho một ớt nguyờn tử Inđi (In) vào trong tinh thể gecmani tinh khiết thì ta thấy hiện tượng sau: nguyờn tử indi cú ba điện tử ở lớp ngoài cựng, nờn ba điện tử đú chỉ liờn kết với ba điện tử của ba nguyờn tử gecmani chung quanh. Cũn liờn kết thứ tư của inđi với một nguyờn tử gecmani nữa thì lại thiếu mất một điện tử, chỗ thiếu đú gọi là lỗ trống, do cú lỗ trống đú nờn cú sự di chuyển điện tử của nguyờn tử gộcmani bờn cạnh tới lấp lỗ trống và lại tạo nờn một lỗ trống khỏc, khiến cho một điện tử khỏc lại tới lấp. Do đú chất bỏn dẫn loại P cú khả năng dẫn điện. Lỗ trống coi như một điện tớch dương. Nguyờn tử inđi trước kia trung tớnh, nay trở thành ion õm, vì cú thờm điện tử. .(hình 3-5)

Hình 3-5.Mạng tinh thể của chất bỏn dẫn loại N

Hiện tượng dẫn điện như trờn gọi là dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bỏn dẫn đú là bỏn dẫn loại P hay cũn gọi là bỏn dẫn dương.

Nếu cú tạp chất hoỏ trị ba như inđi (In), bo (B), gali (Ga) vào cỏc chất bỏn dẫn hoỏ trị bốn như Ge, Si,C thì cú bỏn dẫn loại P.

Trong chất bỏn dẫn loại P, lỗ trống là những hạt mang điện tớch chiếm đa số. Số lượng lỗ trống phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, cũn số cỏc cặp điờn tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thì phụ thuộc vào nhiệt độ.

Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại P thì dưới tỏc động của điện trường E, cỏc lỗ trống (đa số) và cỏc cặp điện tử - lỗ trống đang di chuyễn lung tung theo mọi hướng sễ phải di chuyển theo hướng quy định. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện. Dũng điện do lỗ trống sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cặp điện tử - lỗ trống. Vì thế trong bỏn dẫn loại P cỏc lỗ trống là điện tớch đa số.

1.4. Ưu nhược điểm của linh kiện bỏn dẫn

Ưu điểm:

- Linh kiện bỏn dẫn khụng cú sợi nung, nờn khụng cần nguồn sợi nung, vừa khụng tốn điện vừa trỏnh được nhiễu tạp do sợi nung gõy ra.

- Linh kiện bỏn dẫn cú thể tớch nhỏ gọn, dễ lắp rỏp.

- Linh kiện bỏn dẫn cú tuổi thọ tương đối dài.

Nhược điểm:

- Linh kiện bỏn dẫn cú dũng điện ngược (Dũng rỉ),

- Linh kiện bỏn dẫn cú điện trở ngược khụng lớn, lại khụng đồng đều, - Cỏc thụng số kĩ thuật của linh kiện bỏn dẫn thay đổi theo nhiệt độ.

2.Tiếp giỏp P-N; điụt tiếp mặt

Mục tiờu :

- Trình bầy được cấu tạo, nguyờn lý làm việc của tiếp giỏp bỏn dẫn PN

- Trình bầy được cấu tạo, nguyờn lý làm việc,đặc tuyến volt - Ampe của điốt tiếp mặt

2.1.Tiếp giỏp PN 2.1.1.Cấu tạo:

Ghộp bỏn dẫn loại N và bỏn dẫn loại P tiếp xỳc với nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xỳc P - N.Trong bỏn dẫn P lỗ trống là cỏc điện tớch đa số, cũn trong bỏn dẫn N là cỏc điện tử thừa.(hình 3-6)

Hình3-6. Cấu tạo mối nối PN

Nguyờn lớ hoạt động:

- Khi chưa cú điện trường ngoài đặt lờn tiếp xỳc :

Khi ghộp hai loại bỏn dẫn P và N với nhau thì điện tử thừa của N chạy sang P và cỏc lỗ trống của bỏn dẫn P chạy sang N. Chỳng gặp nhau ở vựng tiếp giỏp, tỏi hợp với nhau và trở nờn trung hoà về điện.

Ở vựng tiếp giỏp về phớa bỏn dẫn P, do mất lỗ trống nờn chỉ cũn lại những ion õm. Vì vậy, ở vựng đú cú điện tớch õm. Ở vựng tiếp giỏp về phớa bỏn dẫn N, do mất điện tử thừa, nờn chỉ cũn lại những ion dương. Vì vậỵ ở vựng đú cú điện tớch dương, do đú, hình thành điện dung ở mặt tiếp giỏp. Đến đõy, sự khuếch tỏn qua lại giữa P và N dừng lại.

Vựng tiếp giỏp đó trở thành một bức rào ngăn khụng cho lỗ trống từ P chạy qua N và điện tử N chạy qua P. Riờng cỏc hạt mang điện tớch thiểu số là cỏc điện tử

trong bỏn dẫn P và cỏc lỗ trống trong bỏn dẫn N là cú thể vượt qua tiếp giỏp, vì chỳng khụng bị ảnh hưởng của bức xạ hàng rào ngăn, mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ.

- Khi cú điện trường ngoài đặt lờn tiếp xỳc : + Phõn cực thuận(hỡnh 3-7).

Hình 3-7. Phõn cực thuận cho mối nối PN

Do tỏc dụng của điện trường E, cỏc điện tử thừa trong N chạy ngược chiều điện trường vượt qua tiếp giỏp sang P, để tỏi hợp với cỏc lỗ trống trong P chạy về phớa tiếp giỏp. Điện tử tự do từ õm nguồn sẽ chạy về bỏn dẫn N để thay thế, tạo nờn dũng thuận cú chiều ngược lại.

Dũng thuận tăng theo điện ỏp phõn cực. Ngoài ra, phải kể đến sự tham gia vào dũng thuận của cỏc điện tử trong cặp điện tử - lỗ trống. Khi nhiệt độ tăng lờn thì thành phần này tăng, làm cho dũng thuận tăng lờn.

Hình 3-8. Phõn cực ngược cho mối nối PN

Do tỏc động của điện trường E cỏc điện tử thừa trong N và cỏc lỗ trống trong P đều di chuyển về hai đầu mà khụng vượt qua được tiếp giỏp, nờn khụng tạo nờn được dũng điện. Chỉ cũn một số điện tớch thiểu số là những lỗ trống trong vựng bỏn dẫn N và cỏc điện tử trong vựng bỏn dẫn P (của cặp điện tử - lỗ trống) mới cú khả năng vượt qua tiếp giỏp. Chỳng tỏi hợp với nhau.

Do đú cú một dũng điện tử rất nhỏ từ cực õm nguồn chạy tới để thay thế cỏc điện tử trong P chạy về phớa N và tạo nờn dũng điện ngược rất nhỏ theo chiều ngược lại. Gọi là dũng ngược vì nú chạy từ bỏn dẫn õm (N) sang bỏn dẫn dương (P). Dũng ngược này phụ thuộc vào nhiệt độ và hầu như khụng phụ thuộc điện ỏp phõn cực. Đến khi điện ỏp phõn cực ngược tăng quỏ lớn thì tiếp giỏp bị đỏnh thủng và dũng ngược tăng vọt lờn.

2.2. Điụt tiếp mặt:

 Cấu tạo – Kớ hiệu : Điốt tiếp mặt gồm hai bỏn dẫn loại P và loại N tiếp

giỏp nhau. Đầu bỏn dẫn P là cực dương(Anốt), đầu bỏn dẫn N là cực õm (Katốt) . (hình 3-9)

Điốt tiếp mặt cú nhiều cỡ to nhỏ, hình thức khỏc nhau. Do diện tiếp xỳc lớn, nờn dũng điện cho phộp đi qua cú thể lớn hàng trăm miliampe đến hàng chục ampe, điện ỏp ngược cú thể từ hàng trăm đến hàng ngàn vụn. Nhưng điện dung giữa cỏc cực lớn tới hàng chục picụfara trở lờn, nờn chỉ dựng được ở tần số thấp để nắn điện.

 Nguyờn lý làm việc của điụt tiếp mặt :

Phõn cực thuận diode VA > VK ( VAK > 0) : nối A với cực dương của nguồn, K với cực õm của nguồn.

Điện tớch õm của nguồn đẩy điện tử trong N về lớp tiếp xỳc. Điện tớch dương của nguồn đẩy lỗ trống trong P về lớp tiếp xỳc, làm cho vựng khiếm khuyết càng hẹp lại. Khi lực đẩy đủ lớn thì điện tử từ vựng N qua lớp tiếp xỳc, sang vựng P và đến cực dương của nguồn….Lực đẩy đủ lớn là lỳc diode cú VAK đạt giỏ trị Vγ,