Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về chất bán dẫn - Lê Chí Thông
12-Sep-10
GIꢀI THIꢁU MÔN HꢂC
Tên môn học : Kꢃ THUꢄT ꢅIꢁN Tꢆ
Phân phối giờ
Số tín chỉ
: 45 tiết
: 2 – Kiểm tra: 20%; Thi: 80% (trắc nghiệm)
Giáo trình:
-Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh
- Kꢇ thuꢈt ꢉiꢊn tꢋ
NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Tài liệu tham khảo:
-Theodore F.Bogart, JR
- Electronic devices and Circuits
2nd Ed. , Macmillan 1991
1
GIꢌNG VIÊN
Lê Chí Thông
Bộ môn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử
Đại học Bách Khoa TP.HCM
ĐT: 0902-445-012
Email: chithong@gmail.com
Website: sites.google.com/site/thongchile
tinyurl.com/thongchile
2
1
12-Sep-10
Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ CHẤT BÁN DẪN
1.1 Vật liệu bán dẫn
- Dꢀa trên tính dꢁn ꢂiꢃn, vꢄt liꢃu bán dꢁn không phꢅi là vꢄt
liꢃu cách ꢂiꢃn mà cꢆng không phꢅi là vꢄt liꢃu dꢁn ꢂiꢃn tꢇt.
- ꢈꢇi vꢉi vꢄt liꢃu dẫn điện, lꢉp vꢊ ngoài cùng cꢋa nguyên tꢌ
có rꢍt ít các electron, nó có khuynh hưꢉng giꢅi phóng các
electron này ꢂꢎ tꢏo thành electron tꢀ do và ꢂꢏt ꢂꢐn trꢏng thái
bꢑn vꢒng.
3
1.1 Vật liệu bán dẫn
- Vꢄt liꢃu cách điện lꢏi có khuynh hưꢉng giꢒ lꢏi các electron
lꢉp ngoài cùng cꢋa nó ꢂꢎ có trꢏng thái bꢑn vꢒng.
- Vꢄt liꢃu bán dẫn, nó có khuynh hưꢉng ꢂꢏt ꢂꢐn trꢏng thái
bꢑn vꢒng tạm thời bꢓng cách lꢍp ꢂꢔy lꢉp con cꢋa lꢉp vꢊ
ngoài cùng.
- Các chꢍt bán dꢁn ꢂiꢎn hình như Gecmanium (Ge), Silicium
(Si),.. là nhꢒng nguyên tꢇ thuꢕc nhóm 4 nꢓm trong bꢅng hꢃ
thꢇng tuꢔn hoàn.
4
2
12-Sep-10
Ví dụ về nguyên tử bán dẫn Silicon (Si)
Nguyên tꢌ bán dꢁn Si, có 4 electron ꢖ lꢉp ngoài cùng.
Hạt nhân
một nửa liên
kết hóa trị
liên kết
hóa trị
Liên kết hóa trị
trong tinh thể
bán dẫn Si
5
1.2 Dòng ꢉiꢊn trong bán dꢍn
- Trong vꢄt liꢃu dꢁn ꢂiꢃn có rꢍt nhiꢑu electron tꢀ do.
- Khi ꢖ ꢂiꢑu kiꢃn môi trưꢗng, nꢐu ꢂưꢘc hꢍp thu mꢕt nꢙng
lưꢘng nhiꢃt các electron này sꢚ ꢂưꢘc giꢅi phóng khꢊi nguyên
tꢌ.
- Khi các electron này chuyꢎn ꢂꢕng có hưꢉng sꢚ sinh ra dòng
ꢂiꢃn.
- ꢈꢇi vꢉi vꢄt liꢃu bán dꢁn, các electron tꢀ do cꢆng ꢂưꢘc sinh
ra mꢕt cách tương tꢀ.
6
3
12-Sep-10
1.2 Dòng ꢉiꢊn trong bán dꢍn
- Tuy nhiên, nꢙng lưꢘng cꢔn ꢂꢎ giꢅi phóng các electron này lꢉn
hơn ꢂꢇi vꢉi vꢄt liꢃu dꢁn ꢂiꢃn vì chúng bꢛ ràng buꢕc bꢖi các liên kꢐt
hóa trꢛ.
- Nꢙng lưꢘng này phꢅi ꢂꢋ lꢉn ꢂꢎ phá vꢜ liên kꢐt hóa trꢛ giꢒa các
nguyên tꢌ.
- Thuyꢐt lưꢘng tꢌ cho phép ta nhìn mô hình nguyên tꢌ dꢀa trên
nꢙng lưꢘng cꢋa nó, thưꢗng ꢂưꢘc biꢎu diꢝn dưꢉi dꢏng giꢅn ꢂꢞ
nꢙng lưꢘng.
7
Giản đồ năng lượng
- ꢈơn vꢛ nꢙng lưꢘng qui ưꢉc trong các giꢅn ꢂꢞ này là
electronvolt (eV).
- Mꢕt electron khi muꢇn trꢖ thành mꢕt electron tꢀ do phꢅi hꢍp
thu ꢂꢋ mꢕt lưꢘng nꢙng lưꢘng xác ꢂꢛnh.
- Nꢙng lưꢘng này phꢟ thuꢕc vào dꢏng nguyên tꢌ và lꢉp mà
electron này ꢂang chiꢐm.
- Các electron trong lꢉp vꢊ ngoài cùng chꢠ cꢔn nhꢄn thêm mꢕt
lưꢘng nꢙng lưꢘng tương ꢂꢇi nhꢊ là ꢂꢋ ꢂꢎ giꢅi phóng chúng.
8
4
12-Sep-10
Giản đồ năng lượng
- Các electron ꢖ các lꢉp bên trong cꢔn phꢅi nhꢄn mꢕt lưꢘng
nꢙng lưꢘng rꢍt lꢉn mꢉi có thꢎ trꢖ thành electron tꢀ do.
- Các electron cꢆng có thꢎ di chuyꢎn tꢡ lꢉp bên trong ꢂꢐn lꢉp
bên ngoài trong nguyên tꢌ bꢓng cách nhꢄn thêm mꢕt lưꢘng
nꢙng lưꢘng bꢓng vꢉi chênh lꢃch nꢙng lưꢘng giꢒa hai lꢉp.
- Ngưꢘc lꢏi, các electron cꢆng có thꢎ mꢍt nꢙng lưꢘng và trꢖ lꢏi
vꢉi các lꢉp có mꢢc nꢙng lưꢘng thꢍp hơn.
- Các electron tꢀ do cꢆng vꢄy, chúng có thꢎ giꢅi phóng nꢙng
lưꢘng và trꢖ lꢏi lꢉp vꢊ ngoài cùng cꢋa nguyên tꢌ.
9
Giản đồ năng lượng
Giản đồ vùng năng
lượng của một số vật
liệu.
10
5
12-Sep-10
Giản đồ năng lượng
- Khi nhìn trên mꢕt nguyên tꢌ, các electron trong nguyên tꢌ
sꢚ ꢂưꢘc sꢣp xꢐp vào các mꢢc nꢙng lưꢘng rꢗi rꢏc nhau tùy
thuꢕc vào lꢉp và lꢉp con mà electron này chiꢐm. Các mꢢc
nꢙng lưꢘng này giꢇng nhau cho mꢤi nguyên tꢌ.
- Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn bꢕ vꢄt liꢃu, mꢥi nguyên tꢌ còn
chꢛu ꢅnh hưꢖng tꢡ các tác ꢂꢕng khác nhau bên ngoài nguyên
tꢌ. Do ꢂó, mꢢc nꢙng lưꢘng cꢋa các electron trong cùng lꢉp
và lꢉp con có thꢎ không còn bꢓng nhau giꢒa các nguyên tꢌ.
11
Nhận xét
- Sꢇ electron tꢀ do trong vꢄt liꢃu phꢟ thuꢕc rꢍt nhiꢑu vào
nhiꢃt ꢂꢕ và do ꢂó ꢂꢕ dꢁn ꢂiꢃn cꢋa vꢄt liꢃu cꢆng vꢄy.
- Nhiꢃt ꢂꢕ càng cao thì nꢙng lưꢘng cꢋa các electron càng
lꢉn.
- Vꢄt liꢃu bán dꢁn có hꢃ sꢇ nhiꢃt ꢂiꢃn trꢖ âm.
- Vꢄt liꢃu dꢁn ꢂiꢃn có hꢃ sꢇ nhiꢃt ꢂiꢃn trꢖ dương.
12
6
12-Sep-10
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- Vꢄt liꢃu bán dꢁn tꢞn tꢏi mꢕt
dꢏng hꢏt dꢁn khác ngoài
electron tꢀ do.
- Mꢕt electron tꢀ do xuꢍt hiꢃn thì
ꢂꢞng thꢗi nó cꢆng sinh ra mꢕt lꢥ
trꢇng (hole).
-Lꢥ trꢇng ꢂưꢘc qui ưꢉc là hꢏt
dꢁn mang ꢂiꢃn tích dương.
-Dòng di chuyꢎn có hưꢉng cꢋa
lꢥ trꢇng ꢂưꢘc gꢤi là dòng lꢥ
trꢇng trong bán dꢁn.
-Khi lꢥ trꢇng di chuyꢎn tꢡ phꢅi sang trái cꢆng ꢂꢞng nghꢦa vꢉi
viꢃc các electron lꢉp vꢊ ngoài cùng di chuyꢎn tꢡ trái sang phꢅi.
13
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- Có thꢎ phân tích dòng ꢂiꢃn trong bán dꢁn thành hai dòng
electron.
- ꢈꢎ tiꢃn lꢘi ta thưꢗng xem như dòng ꢂiꢃn trong bán dꢁn là
do dòng electron và dòng lꢥ trꢇng gây ra.
- Ta thưꢗng gꢤi electron tꢀ do và lꢥ trꢇng là hꢏt dꢁn vì chúng
có khꢅ nꢙng chuyꢎn ꢂꢕng có hưꢉng ꢂꢎ sinh ra dòng ꢂiꢃn.
14
7
12-Sep-10
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- Khi mꢕt electron tꢀ do và lꢥ trꢇng kꢐt hꢘp lꢏi vꢉi nhau trong
vùng hóa trꢛ, các hꢏt dꢁn bꢛ mꢍt ꢂi, và ta gꢤi quá trình này là
quá trình tái hꢘp hꢏt dꢁn.
- Viꢃc phá vꢜ mꢕt liên kꢐt hóa trꢛ sꢚ tꢏo ra mꢕt electron tꢀ do
và mꢕt lꢥ trꢇng, do ꢂó sꢇ lưꢘng lꢥ trꢇng sꢚ luôn bꢓng sꢇ
lưꢘng electron tꢀ do. Bán dꢁn này ꢂưꢘc gꢤi là bán dẫn
thuần khiết hay bán dẫn nội tại (loại i) (intrinsic).
- Ta có:
ni = pi
ni: mꢄt ꢂô eletron (electron/cm3)
pi: mꢄt ꢂô lô trꢇng (lô trꢇng/cm3)
15
1.2.2 Dòng trôi
- Khi mꢕt hiꢃu ꢂiꢃn thꢐ ꢂưꢘc ꢂꢩt lên hai ꢂꢔu bán dꢁn, điện trường
sꢚ làm cho các electron tꢀ do di chuyꢎn ngưꢘc chiꢑu ꢂiꢃn trưꢗng
và các lꢥ trꢇng di chuyꢎn cùng chiꢑu ꢂiꢃn trưꢗng.
- Cꢅ hai sꢀ di chuyꢎn này gây ra trong bán dꢁn mꢕt dòng ꢂiꢃn có
chiꢑu cùng chiꢑu ꢂiꢃn trưꢗng ꢂưꢘc gꢤi là dòng trôi (drift current).
- Dòng trôi phꢟ thuꢕc nhiꢑu vào khꢅ nꢙng di chuyꢎn cꢋa hꢏt dꢁn
trong bán dꢁn, khꢅ nꢙng di chuyꢎn ꢂưꢘc ꢂánh giá bꢓng độ linh
động của hạt dẫn. ꢈꢕ linh ꢂꢕng này phꢟ thuꢕc vào loꢏi hꢏt dꢁn
cꢆng như loꢏi vꢄt liꢃu.
Silicon
Germanium
µn = 0.14 m2 Vs
µn = 0.38 m2 Vs
µp = 0.18 m2 Vs
µp = 0.05 m2 Vs
16
8
12-Sep-10
1.2.2 Dòng trôi
- Trong chuyꢎn ꢂꢕng trôi, vꢄn tꢇc trung bình cꢋa ꢂiꢃn tꢌ và lꢥ trꢇng
tꢪ lꢃ vꢉi cưꢗng ꢂꢕ ꢂiꢃn trưꢗng E (hoꢩc gradien ꢂiꢃn thꢐ) ꢂã gây ra
chuyꢎn ꢂꢕng ꢂó:
17
1.2.2 Dòng trôi
- Mꢄt ꢂꢕ dòng ꢂiꢃn J:
Vꢉi: J: mꢄt ꢂꢕ dòng ꢂiꢃn, (A/m2); E: cưꢗng ꢂꢕ ꢂiꢃn trưꢗng (V/m)
n, p: mꢄt ꢂꢕ electron tꢀ do và lꢥ trꢇng, (hꢏt dꢁn/m3)
1.6 ×10−19
C
ꢂơn vꢛ ꢂiꢃn tích electron =
qn , q p =
ꢂꢕ linh ꢂꢕng cꢋa electron tꢀ do và lꢥ trꢇng (m2/Vs)
, µ p =
µn
vn , v p =
vꢄn tꢇc electron tꢀ do và lꢥ trꢇng, (m/s)
18
9
12-Sep-10
Ví dụ 1-1
Mꢕt hiꢃu ꢂiꢃn thꢐ ꢂưꢘc ꢂꢩt lên hai ꢂꢔu cꢋa mꢕt thanh bán dꢁn thuꢔn trong
ni = 1.5×1010
hình vꢚ. Giꢅ sꢌ :
là electron/m3
µ p = 0.05 m 2 V s
2
(
)
µ n = 0 .1 4 m
V s
(
)
Tìm:
1. Vꢄn tꢇc electron tꢀ do và lꢥ trꢇng;
2. Mꢄt ꢂꢕ dòng electron tꢀ do và lꢥ trꢇng;
3. Mꢄt ꢂꢕ dòng tꢫng cꢕng;
4. Dòng tꢫng cꢕng trong thanh bán dꢁn.
19
Hướng dẫn
1. Ta có:
E = U / d = 2.10 3 V / m
vn = E.µn = 2.8 x 10 2 m / s
vp = E.µp =10 2 m / s
2. Vì vꢄt liꢃu là thuꢔn nên:
pi = ni = 1.5 x10 10 ( / cm 3 ) = 1.5 x10 10 /10 −6 (/ m 3 )
Jn = ni.qn .vn = 0.672 A / m 2
Jp = ni.qp .vp = 0.24 A / m 2
J = Jn + Jp = 0.672 + 0.24 = 0.912 A / m 2
3.
20 × 10 −3
m
20 × 10 −3
m
= 4 × 10 −4 m 2
4. Tiꢐt diꢃn ngang cꢋa thanh là :
Dòng ꢂiꢃn:
I = J.S = (0.912 A / m 2 ).( 4 x10 −4 m 2 ) = 0.365 mA
20
10
12-Sep-10
Một số lưu ý
- ꢈiꢃn trꢖ có thꢎ ꢂưꢘc tính bꢓng cách dùng công thꢢc:
l
R = ρ
S
- ꢈiꢃn dꢁn, ꢂơn vꢛ siemens (S), ꢂưꢘc ꢂꢛnh nghꢦa là nghꢛch ꢂꢅo
cꢋa ꢂiꢃn trꢖ, và ꢂiꢃn dꢁn suꢍt, ꢂơn vꢛ S/m, là nghꢛch ꢂꢅo cꢋa
ꢂiꢃn trꢖ suꢍt:
1
σ =
ρ
- ꢈiꢃn dꢁn suꢍt cꢋa vꢄt liꢃu bán dꢁn có thꢎ ꢂưꢘc tính theo
công thꢢc:
21
Ví dụ 1-2
1. Tính ꢂiꢃn dꢁn suꢍt và ꢂiꢃn trꢖ suꢍt cꢋa thanh bán dꢁn
trong ví dꢟ 1-1.
2. Dùng kꢐt quꢅ cꢋa câu 1 ꢂꢎ tìm dòng trong thanh bán dꢁn
khi ꢂiꢃn áp trên hai ꢂꢔu cꢋa thanh là 12V.
22
11
12-Sep-10
Hướng dẫn
1. Vì bán dꢁn thuꢔn nên:
n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19
C
σ = n qn µn + p qp µp
σ = 4.56x10−4 S/m
1
ρ = = 2192.98 Ωm
σ
2.
l
R = ρ = 32.98 KΩ
S
U
I = = 0.365 mA
R
23
1.3.3 Dòng khuếch tán
- Nꢐu như trong bán dꢁn có sꢀ chênh lệch mật độ hạt dẫn
thì các hꢏt dꢁn sꢚ có khuynh hưꢉng di chuyꢎn tꢡ nơi có mꢄt
ꢂꢕ hꢏt dꢁn cao ꢂꢐn nơi có mꢄt ꢂꢕ hꢏt dꢁn thꢍp hơn nhꢓm
cân bꢓng mꢄt ꢂꢕ hꢏt dꢁn.
- Quá trình di chuyꢎn này sinh ra mꢕt dòng ꢂiꢃn bên trong
bán dꢁn. Dòng ꢂiꢃn này ꢂưꢘc gꢤi là dòng khuếch tán
(diffusion current).
- Dòng khuꢐch tán có tính chꢍt quá ꢂꢕ (thꢗi gian tꢞn tꢏi ngꢣn)
trꢡ khi sꢀ chênh lꢃch mꢄt ꢂꢕ ꢂưꢘc duy trì trong bán dꢁn.
24
12
12-Sep-10
1.3.3 Dòng khuếch tán
Mꢄt ꢂꢕ dòng khuꢐch tán cꢋa ꢂiꢃn tꢌ
Mꢄt ꢂꢕ dòng khuꢐch tán cꢋa lꢥ trꢇng
q = 1.6 x 10-19
C
Dn: hꢃ sꢇ khuꢐch tán cꢋa ꢂiꢃn tꢌ (silicon 34 cm2/s)
Dp: hꢃ sꢇ khuꢐch tán cꢋa lꢥ trꢇng (silicon 12 cm2/s)
dn/dx: gradient cꢋa nꢞng ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ
dp/dx: gradient cꢋa lꢥ trꢇng
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10-19
ꢈiꢃn thꢐ nhiꢃt
T: nhiꢃt ꢂꢕ K = oC + 273
Tꢏi nhiꢃt ꢂꢕ phòng (20oC), VT ꢬ 25 mV
25
Bán dẫn thuần khiết (Bán dẫn loại i)
Mꢄt ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ tꢀ do bꢓng vꢉi mꢄt ꢂꢕ lꢥ trꢇng.
ni = pi
ni: mꢄt ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ tꢀ do(electron/cm3)
pi: mꢄt ꢂꢕ lꢥ trꢇng (lꢥ trꢇng/cm3)
•ꢈiꢃn tꢌ tꢀ do có ꢂiꢃn tích –q
•Lꢥ trꢇng có ꢂiꢃn tích +q
• ꢈiꢃn tꢌ tꢀ do và lꢥ trꢇng là hꢏt dꢁn ꢀ Tạo ra dòng điện khi
chuyển động có hướng
26
13
12-Sep-10
Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
- Trong thꢀc tꢐ, ngưꢗi ta sꢚ tꢏo ra vꢄt liꢃu bán dꢁn trong ꢂó
mꢄt ꢂꢕ electron lꢉn hơn mꢄt ꢂꢕ lꢥ trꢇng hoꢩc vꢄt liꢃu bán dꢁn
có mꢄt ꢂꢕ lꢥ trꢇng lꢉn hơn mꢄt ꢂꢕ electron tꢀ do.
- Các vꢄt liꢃu bán dꢁn này ꢂưꢘc gꢤi là bán dꢁn có pha tꢏp
chꢍt.
- Bán dꢁn mà electron tꢀ do chi phꢇi ꢂưꢘc gꢤi là bán dꢁn loꢏi
N, và ngưꢘc lꢏi, bán dꢁn trong ꢂó lꢥ trꢇng chi phꢇi chꢋ yꢐu
ꢂưꢘc gꢤi là bán dꢁn loꢏi P.
27
Bán dẫn loại N
Cꢀu trúc tinh thꢁ bán dꢂn
chꢃa mꢄt nguyên tꢅ
donor.
Hꢆt nhân cꢇa donor ꢈưꢉc
ký hiꢊu là D.
•Bán dẫn loại N = Bán dẫn thuần + Tạp chất nhóm 5
Vd: Si + Phosphore, Ge + Asenic
•Tꢏp chꢍt này cung cꢍp ꢂiꢃn tꢌ ꢀ Tꢏp chꢍt cho (tꢏp chꢍt donor)
•Nguyên tꢌ tꢏp chꢍt bꢛ ion hóa thành ion dương
28
14
12-Sep-10
Bán dẫn loại N
nd = Nd
nd: Nꢞng ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ tꢀ do do tꢏp chꢍt cung cꢍp
Nd: Nꢞng ꢂꢕ tꢏp chꢍt donor
nn = Nd + pn
nn: Tꢫng nꢞng ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ tꢀ do trong bán dꢁn N
pn: nꢞng ꢂꢕ lꢥ trꢇng trong bán dꢁn N
nn >> pn ꢁ nn ≈ Nd
nnpn = ni2
ni: mꢄt ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ trong bán dꢁn thuꢔn
Hạt dẫn đa số là điện tử.
Hạt dẫn thiểu số là lỗ trống.
29
Bán dẫn loại P
Cꢀu trúc tinh thꢁ bán dꢂn có
chꢃa mꢄt nguyên tꢅ acceptor.
Nguyên tꢅ acceptor
ꢈưꢉc ký hiꢊu là A.
•Bán dẫn loại P = Bán dẫn thuần + Tạp chất nhóm 3
Vd: Si + Bore, Ge + Indium
•Tꢏp chꢍt này nhꢄn ꢂiꢃn tꢌ ꢀ Tꢏp chꢍt nhꢄn (tꢏp chꢍt acceptor)
•Nguyên tꢌ tꢏp chꢍt bꢛ ion hóa thành ion âm
30
15
12-Sep-10
Bán dẫn loại P
pa = Na
pa: Nꢞng ꢂꢕ lꢥ trꢇng do tꢏp chꢍt cung cꢍp
Na: Nꢞng ꢂꢕ tꢏp chꢍt acceptor
pp = Na + np
pp: Tꢫng nꢞng ꢂꢕ lꢥ trꢇng trong bán dꢁn P
np: nꢞng ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ tꢀ do trong bán dꢁn P
pp >> np ꢁ pp ≈ Na
nppp = ni2
ni: mꢄt ꢂꢕ ꢂiꢃn tꢌ trong bán dꢁn thuꢔn
Hạt dẫn đa số là lỗ trống.
Hạt dẫn thiểu số là điện tử.
31
Ví dụ 1-3
Mꢕt thanh silicon có mꢄt ꢂꢕ electron trong bán dꢁn thuꢔn là
1.4×1016
electron/m3 bꢛ kích thích bꢖi các nguyên tꢌ tꢏp
8.5×1021
chꢍt cho ꢂꢐn khi mꢄt ꢂꢕ lꢥ trꢇng là
lꢥ trꢇng/m3.
µn = 0.14 m2 Vs
ꢈꢕ linh ꢂꢕng cꢋa electron và lꢥ trꢇng là
µp = 0.05 m2 Vs
và
1. Tìm mꢄt ꢂꢕ electron trong bán dꢁn ꢂã pha tꢏp chꢍt.
2. Bán dꢁn là loꢏi N hay loꢏi P?
3. Tìm ꢂꢕ dꢁn ꢂiꢃn cꢋa bán dꢁn pha tꢏp chꢍt.
32
16
12-Sep-10
Ví dụ 1-3
Mꢕt thanh silicon có mꢄt ꢂꢕ electron trong bán dꢁn thuꢔn là 1.4×1016
electron/m3 bꢛ kích thích bꢖi các nguyên tꢌ tꢏp chꢍt cho ꢂꢐn khi mꢄt ꢂꢕ lꢥ
8.5×1021
trꢇng là
µn = 0.14 m2 Vs
lꢥ trꢇng/m3. ꢈꢕ linh ꢂꢕng cꢋa electron và lꢥ trꢇng là
µp = 0.05 m2 Vs
(
)
.
và
1. Tìm mꢄt ꢂꢕ electron trong bán dꢁn ꢂã pha tꢏp chꢍt.
2. Bán dꢁn là loꢏi N hay loꢏi P?
3. Tìm ꢂꢕ dꢁn ꢂiꢃn cꢋa bán dꢁn pha tꢏp chꢍt.
Hướng dẫn
2
1.4×1016
ni2
p
= 2.3×1010 electron/m3
1.
n =
=
8.5×1021
2. Vì p > n nên vꢄt liꢃu là loꢏi P.
3.
σ
=nµnqn + pµpqp
= 2.3×10 0.14 1.6×10−19 + 8.5×1021 0.05 1.6×10−19
10
(
)
(
)
(
)
(
) (
)
(
)
=5.152×10−10 +68≈68 S/m
33
1.4 Chuyꢎn tiꢏp PN
e
e
h
h
h
h
e
-
-
-
-
-
+
+
D
D
D
A
A
A
h
h
e
e
e
e
e
e
D
D
D
D
D
D
A
A
A
A
A
A
+
+
h
h
h
+
Bán dẫn loại N
Bán dẫn loại P
• Hai khꢇi bán dꢁn P và N tiꢐp xúc nhau
• Do chênh lꢃch nꢞng ꢂꢕ ꢁ hiꢃn tưꢘng khuꢐch tán cꢋa các hꢏt dꢁn ꢂa sꢇ
• ꢈiꢃn tꢌ khuꢐch tán tꢡ N ꢀ P
• Lꢥ trꢇng khuꢐch tán tꢡ P ꢀ N
ꢁDòng ꢂiꢃn khuꢐch tán vꢉi mꢄt ꢂꢕ dòng là
34
17
12-Sep-10
1.4 Chuyꢎn tiꢏp PN
• Trên ꢂưꢗng khuꢐch tán, các ꢂiꢃn tích trái dꢍu sꢚ tái hợp vꢉi nhau ꢁ
trong mꢕt vùng hꢭp ꢖ hai bên mꢩt ranh giꢉi có nồng độ hạt dẫn giảm
xuống rất thấp.
• Tꢏi vùng ꢂó, bên bán dꢁn P hꢔu như chꢠ còn ion âm acceptor và bên bán
dꢁn N hꢔu như chꢠ còn ion dương donor ꢁ hình thành hai lꢉp ꢂiꢃn tích trái
dꢍu ꢂꢇi diꢃn nhau ꢁ chênh lꢃch hiꢃu ꢂiꢃn thꢐ ꢁ ꢂiꢃn thꢐ tiꢐp xúc Vtx ꢁ
ꢂiꢃn trưꢗng tiꢐp xúc Etx.
• Vùng hꢭp ꢂó ꢂưꢘc gꢤi là vùng nghèo (depletion region) hoꢩc chuyển
tiếp P-N (PN junction).
• Do Etx ꢁ hiꢃn tưꢘng trôi cꢋa các hꢏt dꢁn thiꢎu sꢇ
• Lꢥ trꢇng cꢋa bán dꢁn N chꢏy vꢑ cꢀc âm cꢋa ꢂiꢃn trưꢗng
• ꢈiꢃn tꢌ cꢋa bán dꢁn P chꢏy vꢑ cꢀc dương cꢋa ꢂiꢃn trưꢗng
ꢁ dòng ꢂiꢃn trôi vꢉi mꢄt ꢂꢕ dòng là
35
1.4 Chuyꢎn tiꢏp PN
• Dòng ꢂiꢃn trôi ngưꢘc chiꢑu vꢉi dòng khuꢐch tán
• Nꢞng ꢂꢕ hꢏt dꢁn ꢂa sꢇ trong hai khꢇi bán dꢁn càng chênh lꢃch ꢁ
khuꢐch tán càng mꢏnh và tái hꢘp càng nhiꢑu ꢁ Etx càng tꢙng ꢁ dòng trôi
càng tꢙng
ꢁSau mꢕt thꢗi gian ngꢣn, dòng trôi và dòng khuꢐch tán cân bꢓng nhau ꢁ
Dòng tꢫng cꢕng qua mꢩt ranh giꢉi bꢓng không: trạng thái cân bằng
Khi ꢂó, hiꢃu ꢂiꢃn thꢐ tiꢐp xúc có giá trꢛ nhꢍt ꢂꢛnh
Thông thưꢗng Vtx = 0,35 V ꢂꢇi vꢉi Ge và 0,7 V ꢂꢇi vꢉi Si.
Hiꢃu ꢂiꢃn thꢐ này ngꢙn cꢅn, không cho hꢏt dꢁn tiꢐp tꢟc chuyꢎn ꢂꢕng qua
mꢩt ranh giꢉi, duy trì trꢏng thái cân bꢓng, nên ꢂưꢘc gꢤi là “hàng rào điện
thế”
36
18
12-Sep-10
Ví dụ 1-4
Mꢕt chuyꢎn tiꢐp PN ꢂưꢘc tꢏo nên tꢡ bán dꢁn loꢏi P có 1022
acceptor/m3 và bán dꢁn loꢏi N có 1.2 x 1021 donor/m3.
Tìm ꢂiꢃn thꢐ nhiꢃt và ꢂiꢃn thꢐ hàng rào tꢏi 25°C.
Cho ni = 1.5 x 1016 electron/m3.
37
Ví dụ 1-4
Hướng dẫn
kT
Áp dꢟng: VT =
q
vꢉi: T = 25 + 273 = 298°K
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10 -19C
VT = 25.7 mV
Điện thế hàng rào:
NA .ND
ni2
V0 = VT .ln
38
V0= 0.635 V
19
12-Sep-10
1.5 Phân cꢐc chuyꢎn tiꢏp PN
- Chuyꢎn tiꢐp PN có thꢎ ꢂưꢘc phân cꢀc bꢓng cách dùng mꢕt nguꢞn ꢂiꢃn
áp ꢂꢩt lên hai ꢂꢔu cꢋa chuyꢎn tiꢐp.
Nguồn áp phân cực thuận
chuyển tiếp PN.
39
Phân cꢐc thuꢈn chuyꢎn tiꢏp PN
• P nꢇi cꢀc dương, N nꢇi cꢀc âm
• Hàng rào ꢂiꢃn thꢐ giꢅm còn Vtx – V
ꢁHꢏt dꢁn ꢂa sꢇ sꢚ “tràn qua hàng rào” sang miꢑn ꢂꢇi diꢃn, ꢂưꢘc gꢤi là
hiꢃn tưꢘng “phun hạt dẫn” hay “chích hạt dẫn” (injection)
• Tình trꢏng thiꢐu hꢏt dꢁn trong vùng nghèo ꢂưꢘc giꢅm bꢉt ꢁ bꢑ dày
vùng nghèo thu hẹp ꢁ điện trở của vùng này giảm
• Dòng ꢂiꢃn qua chuyꢎn tiꢐp PN lớn và tăng nhanh theo điện áp
Trong ꢂó:
I : dòng qua chuyꢎn tiꢐp (A)
V: ꢂiꢃn áp phân cꢀc (V).
IS (I0): dòng ngưꢘc bão hòa (A)
m: hꢃ sꢇ hiꢃu chꢠnh, phꢟ thuꢕc vào vꢄt liꢃu; 1≤m≤2)
VT: ꢂiꢃn thꢐ nhiꢃt (V)
40
20
Tải về để xem bản đầy đủ
23 trang
18360
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về chất bán dẫn - Lê Chí Thông", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_dien_tu_chuong_1_gioi_thieu_ve_chat_ban_d.pdf
