Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn - Lê Thị Kim Anh

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn - Lê Thị Kim Anh

1. Chương 1 GII THIU V BÁN DN 1.1 Vt liu bán dn Da trên tính dn ñin, vt liu bán dn không phi là vt liu cách ñin mà cũng không phi là vt liu dn ñin tt. ði vi vt liu dn ñin, lp v ngoài cùng ca nguyên t có rt ít các electron, nó có khuynh hưng gii phóng các electron này ñ to thành electron t do và ñt ñn trng thái bn vng. Bài ging môn K thut ðin t 2 GV: Lê Th Kim Anh
2. Ví du vê nguyên tư bán dn Silicon (Si) Nguyên t bán dn Si, có 4 electron lp ngoài cùng. Ht nhân mt na liên kt hóa tr liên kt hóa tr Liên kt hóa tr trong tinh thê bán dn Si Bài ging môn K thut ðin t 4 GV: Lê Th Kim Anh
3. Tuy nhiên, năng lưng cn ñ gii phóng các electron này ln hơn ñi vi vt liu dn ñin vì chúng b ràng buc bi các liên kt hóa tr. Gin ñô năng lưng ðơn v năng lưng qui ưc trong các gin ñ này là electronvolt (eV). Mt electron khi mun tr thành mt electron t do phi hp thu ñ mt lưng năng lưng xác ñnh. Bài ging môn K thut ðin t 6 GV: Lê Th Kim Anh
4. Các electron cũng có th di chuyn t lp bên trong ñn lp bên ngoài trong nguyên t bng cách nhn thêm mt lưng năng lưng bng vi chênh lch năng lưng gia hai lp. Ngưc li, các electron cũng có th mt năng lưng và tr li vi các lp có mc năng lưng thp hơn. Các electron t do cũng vy, chúng có th gii phóng năng lưng và tr li lp v ngoài cùng ca nguyên t. Bài ging môn K thut ðin t 8 GV: Lê Th Kim Anh
5. Gin ñ vùng năng lưng ca mt s vt liu. Bài ging môn K thut ðin t 10 GV: Lê Th Kim Anh
6. 1.2.1 Lô trng va dòng lô trng Vt liu bán dn tn ti mt dng ht dn khác ngoài electron t do. Mt electron t do xut hin thì ñng thi nó cũng sinh ra mt l trng (hole). L trng ñưc qui ưc là ht dn mang ñin tích dương. Bài ging môn K thut ðin t 12 GV: Lê Th Kim Anh
7. Ta thưng gi electron t do và l trng là ht dn vì chúng có kh năng chuyn ñng có hưng ñ sinh ra dòng ñin. Khi mt electron t do và l trng kt hp li vi nhau trong vùng hóa tr, các ht dn b mt ñi, và ta gi quá trình này là quá trình tái hp ht dn. Vic phá v mt liên kt hóa tr s to ra mt electron t do và mt l trng, do ñó s lưng l trng s luôn bng s lưng electron t do. Bán dn này ñưc gi là bán dn thun hay bán dn ni ti (intrinsic). Bài ging môn K thut ðin t 14 GV: Lê Th Kim Anh
8. 1.2.2 Dòng trôi Khi mt hiu ñin th ñưc ñt lên hai ñu bán dn, ñin trưng s làm cho các electron t do di chuyn ngưc chiu ñin trưng và các l trng di chuyn cùng chiu ñin trưng. C hai s di chuyn này gây ra trong bán dn mt dòng ñin có chiu cùng chiu ñin trưng ñưc gi là dòng trôi (drift current). Bài ging môn K thut ðin t 16 GV: Lê Th Kim Anh
9. Vn tc ca ht dn trong ñin trưng E: vn === .E n vp === .E p Bài ging môn K thut ðin t 18 GV: Lê Th Kim Anh
10. Ví du 11 Mt hiu ñin th ñưc ñt lên hai ñu ca mt thanh bán dn thun trong hình ve. 10 3 2 Gi s: ni=1.5x10 electron/cm ; n= 0.14m /Vs 2 p=0.05m /Vs Tìm: 1. Vn tc electron t do và l trng; 2. Mt ñ dòng electron t do và l trng; 3. Mt ñ dòng tng cng; 4. Dòng tng cng trong thanh bán dn. Bài ging môn K thut ðin t 20 GV: Lê Th Kim Anh
11. Hưng dn 1. Ta có: E === U / d === .2 103 V / m 2 vn === .E n === 8.2 x10 m s/ 2 vp === .E p ===10 m s/ 2. Vì vt liu là thun nên: 10 3 10 −−−6 3 pi === ni === 5.1 x10 /( cm ) === 5.1 x10 /10 (/ m ) 2 Jn === ni q. n v. n === .0 672 A / m 2 Jp === pi q. p v. p === .0 24 A / m 2 3. J === Jn +++ Jp === 0.672 +++ 0.24 === 0.912 A / m 4. Tit din ngang ca thanh là : (20.10 3m) (20.10 3m)= 4.10 4 m2. Dòng ñin: I === S.J === .0( 912 A / m2 ).(4x10−−−4 m2 ) === .0 365 mA Bài ging môn K thut ðin t 22 GV: Lê Th Kim Anh
12. Ví du 12 1. Tính ñin dn sut và ñin tr sut ca thanh bán dn trong ví d 11. 2. Dùng kt qu ca câu 1 ñ tìm dòng trong thanh bán dn khi ñin áp trên hai ñu ca thanh là 12V. Bài ging môn K thut ðin t 24 GV: Lê Th Kim Anh
13. 1.3.3 Dòng khuch tán Nu như trong bán dn có s chênh lch mt ñ ht dn thì các ht dn s có khuynh hưng di chuyn t nơi có mt ñ ht dn cao ñn nơi có mt ñ ht dn thp hơn nhm cân bng mt ñ ht dn. Quá trình di chuyn này sinh ra mt dòng ñin bên trong bán dn. Dòng ñin này ñưc gi là dòng khuch tán (diffusion current). Bài ging môn K thut ðin t 26 GV: Lê Th Kim Anh
14. Trong thc tê, ngưi ta s to ra vt liu bán dn trong ñó mt ñ electron ln hơn mt ñ l trng hoc vt liu bán dn có mt ñ l trng ln hơn mt ñ electron t do. Các vt liu bán dn này ñưc gi là bán dn có pha tp cht. Bán dn mà electron t do chi phi ñưc gi là bán dn loi N, và ngưc li, bán dn trong ñó l trng chi phi ch yu ñưc gi là bán dn loi P. Bài ging môn K thut ðin t 28 GV: Lê Th Kim Anh
15. Cu trúc tinh th bán dn cha mt nguyên t donor. Ht nhân ca donor ký hiu là D. Bài ging môn K thut ðin t 30 GV: Lê Th Kim Anh
16. Cu trúc tinh th bán dn có cha mt nguyên t acceptor. Bài ging môn K thut ðin t 32 GV: Lê Th Kim Anh
17. Mt mi quan h quan trng gia mt ñ electron và mt ñ l trng trong hu ht các bán dn trong thc t là: 2 np= n i Vi: n: mt ñô electron p: mt ñô lô trng ni: mt ñô electron trong bán dn thun. Bài ging môn K thut ðin t 34 GV: Lê Th Kim Anh
18. Hưng dn 2 16 2 n ((( 4.1 x10 ))) 10 3 1. n === i === === 3.2 x10 electron/ m p 5.8 x1021 2. Vì p > n nên vt liu là loi P. 3. σσσ === nq n n +++ pq p p === 68 S / m Bài ging môn K thut ðin t 36 GV: Lê Th Kim Anh
19. ðin trưng này gây ra mt dòng ñin trôi cùng chiu vi nó, ngưc chiu vi dòng khuch tán còn gi là dòng ngưc. trng thái cân bng, dòng khuch tán bng vi dòng trôi. Nói cách khác, dòng tng ñi qua tip xúc PN lúc này bng không. Bài ging môn K thut ðin t 38 GV: Lê Th Kim Anh
20. ð th hin s ph thuc ca hiu ñin th vào nhit ñ, ngưi ta ñưa ra khái nim ñin th nhit: kT v === T q  N N  ⇒⇒⇒ V === V === V ln A D  0 γγγ T  2   ni  Bài ging môn K thut ðin t 40 GV: Lê Th Kim Anh
21. Hưng dn kT Áp dng: V === T q vi: T = 25 + 273 = 298 °°°K k = 1.38 x 10 23 q = 1.6 x 10 19 C VT = 25.7 mV ðin thê hàng rào:  N .N  V === V .ln A D  === .0 635 V 0 T  2   n i  Bài ging môn K thut ðin t 42 GV: Lê Th Kim Anh
22. Khi chuyn tip PN ñưc phân cc thun: + ðin th hàng rào gim xung →→→ vùng nghèo hp. + ðin trơ nho →→→ dòng ñin ln va tăng nhanh theo ñin áp. Ngưc li khi chuyn tip PN ñưc phân cc ngưc. Bài ging môn K thut ðin t 44 GV: Lê Th Kim Anh
23. ðc tuyn VoltAmpe V Quan h dòng – áp trong chuyn tip PN dưi phân cc thun và phân cc ngưc. Bài ging môn K thut ðin t 46 GV: Lê Th Kim Anh
24. ðánh thng thác lu xy ra trong các chuyn tip PN có bê dày ln, ñin trưng trong vùng nghèo có tr sô kha ln. ðin trưng này gia tc cho các ht dn, gây ra hin tưng ion hóa va chm làm sn sinh nhng ñôi ñin tlô trng. Các ht dn va sinh ra này li tip tc ñưc gia tc va ion hóa các nguyên tư khác làm sô lưng ht dn tăng cao, do ño dòng ñin s tăng vt. Bài ging môn K thut ðin t 48 GV: Lê Th Kim Anh
25. Biên ñ ca dòng ngưc khi V xp x VBR (breakdown voltage ) có th ñưc tính bng biu thc sau: I S I === n  V  1 −−−    V BR  Vi n là hng s ñưc xác ñnh t thc nghim. Bài ging môn K thut ðin t 50 GV: Lê Th Kim Anh
26. Ví du 15 Mt diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA 20 °°°C . Tìm dòng ñin qua nó khi ñưc phân cc thun 0,55V. Tìm dòng trong diode khi nhit ñ tăng lên ñn 100 °°°C. Bài ging môn K thut ðin t 52 GV: Lê Th Kim Anh
27. Câu hi cng cô bài 1. Cht bán dn là gi? 2. Các loi dòng ñin ñưc hình thành trong bán dn va bn cht ca chúng? Các công thc liên quan cn nhơ. 3. Khái nim vê bán dn thun, bán dn loi P va N. Chuyn tip PN, tính cht, ñc tuyn VônAmpe va các cách phân cc ca chuyn tip PN. Nguyên nhân ñánh thng chuyn tip PN. 4. Biu thc dòng ñin qua chuyn tip PN (biu thc ca diode). Hiu ñin thê hàng rào, ñin thê nhit, ñin thê ñánh thng va các công thc tính. Bài ging môn K thut ðin t 54 GV: Lê Th Kim Anh