Tài liệu Bài Giảng Cấu Tạo Bán Dẫn docx

Lỗ trống và điện tử• Khi nhiệt độ tăng tùy từng loại chất bán dẫn, các nguyên tử dao động mạnh đến mức một số mối liên kết có thể ngẫu nhiên bị phá vỡ, các điện tử được giải phóng, điện

Trường Đại học Thủy lợi

Bộ môn Điện kỹ thuật

Bài giảng kỹ thuật điện tử

GV: Phạm Đức Đại

Ge và Si ở cột 5 của bảng tuần hoàn

Tinh thể Si

Liên kết hóa trị

Đặc điểm

• Tại 0K:

• Tất cả các liên kết đều được thiêt lập! Tất cả các điện tử hóa trị đều tham gia vào liên kết.

• Không có điện tử tự do

Năng lượng nhiệt

Một số liên kết bị bẻ gãy xuất hiện

• Các điện tử tự do ”free” electrons (Mang điện tích âm −1.6×10−19 C)

• Các lỗ trống ”free” holes (mang điện tích dương, 1.6 × 10−19 C)

• Điện tử tự do và lỗ trống được gọi là các hạt ”Free” electrons and holes are called carriers:

Lỗ trống và điện tử

• Khi nhiệt độ tăng( tùy từng loại chất bán dẫn), các nguyên tử dao động mạnh đến mức một số mối liên kết có thể ngẫu nhiên bị phá vỡ, các điện tử được giải phóng, điện tử bứt ra khỏi liên kết để lại một lỗ trống.

• Dưới tác động của điện trường, các điện tử

chuyển động định hướng, lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử liên kết lân cận, điện tử lấp

lỗ lại tạo ra một lỗ trống mới.

Tính dẫn điện của chất bán dẫn

Trong chất bán dẫn, khi đặt điện áp ngoài vào cóhai dòng chuyển động là

• Dòng chuyển động của các điện tử

• Dòng chuyển động của các lỗ trống, dòng này ngược chiều với dòng các điện tử

• Số lượng điện tử và lỗ trống là bằng nhau

• Dòng điện trong chất bán dẫn là tổng dòng điện điện tử và lỗ trống

 

Bán dẫn loại N,P

Bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất vào một chất bán dẫn, chúng ta có thể điều

khiển được số lượng lỗ trống và điện

tử tham gia vào quá trình dẫn điện trong chất bán dẫn.

Bán dẫn loại N

• Thêm vào bán dẫn Ge( hóa trị

4) với tạp chất As( hóa trị 5),

Dòng điện trong chất bán dẫn N

• Dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào các electrons ( Negative charged) – Gọi là bán dẫn loại N

Bán dẫn loại P

• Nếu thêm vào Ge với

nguyên tử tạp chấtBoron- B( hóa trị 3), cómột liên kết thiếu 1 điện

tử để tạo thành liên kế đồng hóa trị, chỗ thiếu điện tử, được gọi là 1 lỗtrống

• B – gọi là tạp chất cho

Dòng điện trong chất bán dẫn P

Tiếp giáp P-N

Tiếp giáp P-N

• Khi hai loại chất

bán dẫn được ghép với nhau, một qúa trình khuyếch tán lỗtrống và điện tử

được thực hiện Lỗtrống di chuyển từphía P sang phía

N, điện tử di chuyển từ phía N sang P

Tiếp giáp P-N

Utiếp xúc

Tiếp giáp P-N

• Điện trường được tạo bởi hai lớp ion trái dấu, có chiều từ phía N P, điện trường này tạo nên dòng điện trôi qua tiếp giáp( dòng điện gây ra bởi các hạt thiểu số)

• Dòng điện trôi của điện tử từ n sang p

Mô phỏng hoạt động của tiếp giáp

P-N

Phân cực thuận tiếp giáp P-N

• Cự dương của nguồn đặt vào bán dẫn P,

cực âm của nguồn đặt vao bán dẫn N

Utiếp xúc

Unguồn

Phân cực thuận

'

- UTX’ : giảm, làm tăng chuyển động khuyếch tán

 IKT tăng lên, đồng thời dòng điện trôi giảm đến giá trị nhỏ không đáng kể( so với dòng điện khuyếch tán)

Phân cực ngược tiếp giáp P-N

- Cực dương của nguồn nối vào phía N, cực

âm nối vào phía P

Utiếp xúc

Unguồn

Phân cực ngược tiếp giáp P-N

Đặc tuyến V-A tiếp giáp P-N

• Dòng điện trong hai trường hợp trên được

mô tả qua công thức sau.

Trong đó:

• V : điện áp ngoài đặt vào

• I0 : Dòng điện ngược bão hòa

•  : Hệ số

Đặc tuyến V-A của tiếp giáp P-N

Đặc tuyến V-A của tiếp giáp P-N

Câu hỏi

• Chất bán dẫn P, N

• Nguyên lý hoạt động của tiếp giáp P-N

• Đặc điểm tiếp giáp P-N

• Có mấy loại dòng điện qua tiếp giáp P-N, chiều của chúng?

• Điện trường qua tiếp giáp P-N có chiều

như thế nào, ảnh hưởng của nó đến dòng điện khuyếch tán và trôi như thế nào?

Diode bán dẫn

1 Cấu tạo và ký hiệu: Phần căn bản là tiếp

giáp P-N

Pictures of Diode in practice

Đặc tuyến V-A của Điode

Đặc tuyến V-A của Điode

Đặc tuyến V-A của Điode

1 Vùng phân cực thuận

Khi đặt điện áp Uak >0, với giá trị Uak < Umở thì

dòng điện tăng chậm, khi Uak >Umở thì dòng điện tăng nhanh do điện trở lớp tiếp giáp lúc này giảm nhỏ và dòng điện trong mạch phụ thuộc vào điện trở của bán dẫn, đặc tuyến có dạng đường thẳng.

Forward Voltage Drop

• Forward Voltage Drop:Electricity uses up a

little energy pushing its way through the diode, rather like a person pushing through a door with

a spring This means that there is a small voltage across a conducting diode, it is called

the forward voltage drop and is about 0.7V for

all normal diodes which are made from silicon The forward voltage drop of a diode is almost constant whatever the current passing through the diode so they have a very steep

characteristic (current-voltage graph)

Đặc tuyến V-A của điode

2 Vùng phân cực ngược

- Với Ungược <0 nhỏ dòng điện ngược( dòng trôi) tăng, tăng Ungược dòng điện sẽ tăng

đến giá trị bão hóa I0=const.

- Giá trị Ungược chỉ được phép tăng đến giá trị cho phép = 80% Uđánh thủng

- Uđánh thủng : là điện áp tại đó dòng điện

ngược tăng đột ngột dẫn đến phá hỏng tính chất cách điện của tiếp giáp điốt

Nguyên nhân đánh thủng

- Etiếo giáp lớn, các hạt mang điện thiểu số

có năng lượng lớn va chạm với các điện

tử hóa trị, tạo ra cặp lỗ trống, điện tử mới, những hạt này lại va chạm với các điện tử hóa trị mới Quá trình tiếp diễn dẫn đến số lượng hạt tăng ồ ạt, dòng điện trôi tăng

mạnh.

- Điện áp ngược với điode bán dẫn điển

hình làm việc bình thường khoảng 30V

Reverse Voltage

• Reverse Voltage: When a reverse voltage is

applied a perfect diode does not conduct, but all real diodes leak a very tiny current of a few µA

or less This can be ignored in most circuits because it will be very much smaller than the current flowing in the forward direction

However, all diodes have a maximum reverse

voltage (usually 50V or more) and if this is

exceeded the diode will fail and pass a large current in the reverse direction, this is called

breakdown

Thông số

• Điện trở một chiều

1 Khái niệm

Key questions

• How do semiconductors conduct

electricity?

• What is a ”hole”?

• How many electrons and holes are there

in a semiconductor in thermal equilibrium

at a certain temperature?

• How can one engineer the conductivity of semiconductors?

Mức năng lượng trong vật rắn

• Vùng ngoài cùng ở đó các điện tử(

electrons) có đủ năng lượng để thắng được lực hút từ nhân( gồm protons và neutrons) chứa các điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện Những điện tử tự do

đó có trong một chất dẫn điện, và vùng đó gọi là vùng dẫn Vùng bên trong chứa các electrons liên k ết chặt chẽ với nguyên tử, gọi là vùng hóa trị

Điện tử

tự do

Vùng dẫn trống Năng lượng

Vùng hóa trị

Chất bán dẫn thuần ở 0K

Vùng dẫn Năng lượng

Chất dẫn điện

Vùng dẫn Năng lượng

Vùng hóa trị

Biểu đồ năng lượng Bán dẫn loại N

Biểu đồ năng lượng bán dẫn loại P

Vùng dẫn Năng lượng

Vùng hóa trị