KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

1.1 V4t li6u bán dAn Chương 1 > ðJi vLi v4t li6u d/n ñi n, lLp vM ngoài cùng cOa nguyên tP có rRt ít các electron, nó có khuynh hưLng giGi phóng các electron này ñS tTo thành electron t?

GI I THI U MÔN H C

Savant, Rodent, Carpenter Electronic Design – Circuits and Systems

Lê Phi Y&n, Nguy)n Như Anh, Lưu Phu,

GI I THI U V: BÁN D=N

> D?a trên tính dAn ñi6n, v4t li6u bán dAn không phGi là v4t li6u cách ñi6n mà cũng không phGi là v4t li6u dAn ñi6n tJt

1.1 V4t li6u bán dAn

Chương 1

> ðJi vLi v4t li6u d/n ñi n, lLp vM ngoài cùng cOa nguyên tP có rRt ít các electron, nó có khuynh hưLng giGi phóng các electron này ñS tTo thành electron t?

do và ñTt ñUn trTng thái bVn vWng

> V4t li6u cách ñi n lTi có khuynh hưLng giW lTi các electron lLp ngoài cùng cOa nó ñS có trTng thái bVn vWng

> V4t li6u bán d/n, nó có khuynh hưLng ñTt ñUn trTng thái bVn vWng t3m th4i bXng cách lRp ñYy lLp con cOa lLp vM ngoài cùng

> Các chRt bán dAn ñiSn hình như Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là nhWng nguyên tô] thu^c nhóm 4 nXm trong bGng hê thJng tuYn hoàn.

Ví du7 vê8 nguyên tư9 bán d/n Silicon (Si)

Nguyên tP bán dAn Si, có 4 electron ` lLp ngoài cùng

m t n a liên

k t hóa tr

H t nhân

liên k t hóa tr

Liên k&t hóa tr= trong tinh thê9 bán d/n Si

1.2 Dòng ñi6n trong bán dAn

> Trong v4t li6u dAn ñi6n có rRt nhiVu electron t? do.

> Khi ` ñiVu ki6n môi trưcng, nUu ñưdc hRp thu m^t năng lưdng nhi6t các electron này sf ñưdc giGi phóng khMi nguyên tư8.

> Khi các electron này chuySn ñ^ng có hưLng sf sinh

ra dòng ñi6n

> ðJi vLi v4t li6u bán dAn, các electron t? do cũng ñưdc sinh ra m^t cách tương tư

> Tuy nhiên, năng lưdng cYn ñS giGi phóng các electron này lLn hơn ñJi vLi v4t li6u dAn ñi6n vì chúng bi ràng bu^c b`i các liên kUt hóa tri

Gi n ñô8 năng lưAng

> ðơn vi năng lưdng qui ưLc trong các giGn ñk này là electronvolt (eV)

> M^t electron khi muJn tr` thành m^t electron t? do phGi hRp thu ñO m^t lưdng năng lưdng xác ñinh

> Năng lưdng này phm thu^c vào dTng nguyên tP và lLp mà electron này ñang chiUm

> Năng lưdng này phGi ñO lLn ñS phá vn liên kUt hóa tri giWa các nguyên tP.

> ThuyUt lưdng tP cho phép ta nhìn mô hình nguyên

tP d?a trên năng lưdng cOa nó, thưcng ñưdc biSu dipn dưLi dTng giGn ñk năng lưdng

> Các electron cũng có thS di chuySn tq lLp bên trong ñUn lLp bên ngoài trong nguyên tP bXng cách nh4n thêm m^t lưdng năng lưdng bXng vLi chênh l6ch năng lưdng giWa hai lLp

> Ngưdc lTi, các electron cũng có thS mRt năng lưdng

và tr` lTi vLi các lLp có mrc năng lưdng thRp hơn

> Các electron t? do cũng v4y, chúng có thS giGi phóng năng lưdng và tr` lTi lLp vM ngoài cùng cOa nguyên tP.

> Khi nhìn trên m^t nguyên tP, các electron trong nguyên tP sf ñưdc ssp xUp vào các mrc năng lưdng rci rTc nhau tùy thu^c vào lLp và lLp con mà electron này chiUm Các mrc năng lưdng này giJng nhau cho mti nguyên tP

> Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn b^ v4t li6u, mui nguyên tP còn chiu Gnh hư`ng tq các tác ñ^ng khác nhau bên ngoài nguyên tP Do ñó, mrc năng lưdng cOa các electron trong cùng lLp và lLp con có thS không còn bXng nhau giWa các nguyên tP

Gi n ñB vùng năng lưAng cDa mEt sG vHt li u.

NhHn xét

> SJ electron t? do trong v4t li6u phm thu^c rRt nhiVu vào nhi6t ñ^ và do ñó ñ^ dAn ñi6n cOa v4t li6u cũng v4y

> Nhi6t ñ^ càng cao thì năng lưdng cOa các electron càng lLn

> V4t li6u bán dAn có h6 sJ nhi6t ñi6n tr` âm

> V4t li6u dAn ñi6n có h6 sJ nhi6t ñi6n tr` dương

1.2.1 LôL trGng va8 dòng lôL trGng

> V4t li6u bán dAn tkn tTi m^t dTng hTt dAn khác ngoài electron t? do

> M^t electron t? do xuRt hi6n thì ñkng thci nó cũng sinh ra m^t lu trJng (hole)

>Lu trJng ñưdc qui ưLc là hTt dAn mang ñi6n tích dương

> Dòng di chuySn có hưLng cOa lô3 trJng ñưdc gti là dòng lu trJng trong bán dAn.

> Khi lu trJng di chuySn tq phGi sang trái cũng ñkng nghĩa vLi vi6c các electron lLp vM ngoài cùng di chuySn tq trái sang phGi

> Có thS phân tích dòng ñi6n trong bán dAn thành hai dòng electron: dòng electron tư do vax dòng electron ` lLp vo8 ngoài cùng

> Nhưng ñS ti6n ldi ngưci ta thưcng xem như dòng ñi6n trong bán dAn là do dòng electron và dòng lu trJng gây ra

> Ta thưcng gti electron t? do và lu trJng là hTt dAn

vì chúng có khG năng chuySn ñ^ng có hưLng ñS sinh

ra dòng ñi6n

> Khi m^t electron t? do và lu trJng kUt hdp lTi vLi nhau trong vùng hóa tri, các hTt dAn bi mRt ñi, và ta gti quá trình này là quá trình tái hAp h3t d/n.

> Vi6c phá vn m^t liên kUt hóa tri sf tTo ra m^t electron t? do và m^t lu trJng, do ñó sJ lưdng lu trJng sf luôn bXng sJ lưdng electron t? do Bán dAn này ñưdc gti là bán dAn thuYn hay bán dAn n^i tTi (intrinsic)

Ta có:

ni = pi

ni: m4t ñô eletron (electron/cm3)

pi: m4t ñô lô3 trJng (lô3 trJng/cm3)

1.2.2 Dòng trôi

> Khi m^t hi6u ñi6n thU ñưdc ñ|t lên hai ñYu bán dAn, ñi6n trưcng sf làm cho các electron t? do di chuySn ngưdc chiVu ñi6n trưcng và các lu trJng di chuySn cùng chiVu ñi6n trưcng

> CG hai s? di chuySn này gây ra trong bán dAn m^t dòng ñi6n có chiVu cùng chiVu ñi6n trưcng ñưdc gti

> Dòng trôi phm thu^c nhiVu vào khG năng di chuySn cOa hTt dAn trong bán dAn, khG năng di chuySn ñưdc ñánh giá bXng ñ^ linh ñ^ng cOa hTt dAn ð^ linh ñ^ng này phm thu^c vào loTi hTt dAn cũng như loTi v4t li6u.

> V4n tJc cOa hTt dAn trong ñi6n trưcng E:

p p

n

n

E v

E

v

====

====

> M4t ñ^ dòng ñi6n J:

VLi:

p p n

n

p p

n n

p n

v pq v

nq

E pq

E nq

J J

E v

s / m 10

x 8 2

E v

m / V 10 2 d

/ U E

2 p

p

2 n

p i p

2 n

n i n

3 6

10 3

10 i

i

m / A 24 0 v

q p J

m / A 672

0 v

q n J

) m (/

10 / 10 x 5 1 ) cm / ( 10 x 5 1 n

240

6720

4 TiUt di6n ngang cOa thanh là :

mA 365

0 )

m 10

x 4 ).(

m / A 912

0 ( S J

MEt sô, lưu ý

> ði6n tr` có thS ñưdc tính bXng cách dùng công thrc:

> ði6n dAn, ñơn vi siemens (S), ñưdc ñinh nghĩa là nghich ñGo cOa ñi6n tr`; và ñi6n dAn suRt, ñơn vi S/m,

là nghich ñGo cOa ñi6n tr` suRt:

> ði6n dAn suRt cOa v4t li6u bán dAn có thS ñưdc tính theo công thrc:

2192 1

m / S 10

x 56 4 q

p q

.

0 R

U I

K 98

32 S

l R

1.3.3 Dòng khu&ch tán

> NUu như trong bán dAn có s? chênh l6ch m4t ñ^ hTt dAn thì các hTt dAn sf có khuynh hưLng di chuySn tq nơi có m4t ñ^ hTt dAn cao ñUn nơi có m4t ñ^ hTt dAn thRp hơn nhXm cân bXng m4t ñ^ hTt dAn

> Quá trình di chuySn này sinh ra m^t dòng ñi6n bên

> Dòng khuUch tán có tính chRt quá ñ^ (thci gian tkn tTi ngsn) trq khi s? chênh l6ch m4t ñ^ ñưdc duy trì trong bán dAn

1.3 Bán dAn loTi P vax bán dAn loTi N

> Trong bán dAn thuYn hay còn gti là bán dAn n^i tTi (intrinsic semiconductor) có m4t ñ^ electron t? do bXng vLi m4t ñ^ lu trJng

> Trong th?c tê], ngưci ta sf tTo ra v4t li6u bán dAn trong ñó m4t ñ^ electron lLn hơn m4t ñ^ lu trJng ho|c v4t li6u bán dAn có m4t ñ^ lu trJng lLn hơn m4t ñ^ electron t? do

> Các v4t li6u bán dAn này ñưdc gti là bán dAn có pha tTp chRt

> Bán dAn mà electron t? do chi phJi ñưdc gti là bán dAn loTi N, và ngưdc lTi, bán dAn trong ñó lu trJng chi phJi chO yUu ñưdc gti là bán dAn loTi P.

Cách thSc t3o ra bán d/n lo3i N

> Nguyên tP tTp chRt lúc này ñưdc gti là nguyên tP tTp chRt cho (donor) Các v4t li6u ñưdc sP dmng như tTp chRt cho donor thông thưcng là antimony, arsenic, phosphorus.

> Ngưci ta ñ|t vào bên trong bán dAn thuYn m^t nguyên tư8 tTp chRt có 5 ñi6n tư8 ` lLp ngoài cùng

> Nó sf dùng 4 ñi6n tư8 ñê8 tTo liên kUt hóa tri thông thưcng, vì v4y ñi6n tư8 còn lTi sf có liên kUt rRt yUu ñJi vLi hTt nhân nguyên tư8 vax dê3 dàng trơ8 thành ñi6n tư8

tư do.

> Khi ñưa vào m^t lưdng lLn tTp chRt vào thix sô] lưdng electron tư do sf càng nhiVu vax bán dAn ñưdc gti là bán dAn loTi N

CTu trúc tinh thV bán d/n chSa mEt nguyên tW donor

H3t nhân cDa donor ký hi u là D.

> Vì v4y, trong cRu trúc tinh thê8 bán dAn xGy ra sư thiUu electron vax không ñu8 ñê8 tTo liên kUt hóa tri, do ño] sf xuRt hi6n lô3 trJng bên trong bán dAn Càng có nhiVu tTp chRt thix sf có nhiVu lô3 trJng, chính là bán dAn loTi P

CTu trúc tinh thV bán d/n có chSa mEt nguyên tW acceptor

NhHn xét

> Trong v4t li6u bán dAn loTi N, m|c dù sJ lưdng electron t? do nhiVu hơn hˆn so vLi lu trJng nhưng

lu trJng vAn tkn tTi trong bán dAn

> Lưdng tTp chRt donor càng lLn, m4t ñ^ electron t?

do càng cao và càng chiUm ưu thU so vLi lưdng lu trJng

> Do ñó, trong bán dAn loTi N, electron t? do ñưdc gti là h3t d/n ña sG (ho|c hTt dAn chO yUu), lu trJng ñưdc gti là h3t d/n thiVu sG (ho|c hTt dAn thr yUu).

> M^t mJi quan h6 quan trtng giWa m4t ñ^ electron

và m4t ñ^ lu trJng trong hYu hUt các bán dAn trong th?c tU là:

VLi: n: m4t ñô electron

Ví du7 1 3

M^t thanh silicon có m4t ñ^ electron trong bán dAn thuYn là 1.4x10 16 electron/m 3 bi kích thích b`i các nguyên tP tTp chRt cho ñUn khi m4t ñ^ lu trJng là 8.5x10 21 lu trJng/m 3 ð^ linh ñ^ng cOa electron và lu trJng là n =0.14m 2 /Vs và p =0.05m 2 /Vs.

1 Tìm m4t ñ^ electron trong bán dAn ñã pha tTp

chRt.

2 Bán dAn là loTi N hay loTi P?

3 Tìm ñ^ dAn ñi6n cOa bán dAn pha tTp chRt.

S 68

2

10 x 5 8

10 x 4

1 p

n

1.4 ChuySn tiUp PN

Bán dAn loTi P Bán dAn loTi N

A A

A

A A

A

A A

A

D D

D

D D

D

D D

+ + + + +

> Œ trTng thái cân bXng, dòng khuUch tán bXng vLi dòng trôi.

> Nói cách khác, dòng t„ng ñi qua tiUp xúc PN lúc này bXng không.

> ði6n trưcng này gây ra m^t dòng ñi6n trôi cùng chiVu vLi nó, ngưdc chiVu vLi dòng khuUch tán còn gti là dòng ngưdc.

> Hi6u ñi6n thU tkn tTi ` hai bên chuySn tiUp ñưdc gti là hi6u ñi6n thU hàng rào (barrier)

.VLi:

k: hXng sô] Boltzmann = 1.38 x 10 >23 J/K

T: nhi6t ñô tuy6t ñJi K

q: ñơn vi ñi6n tích = 1.6 x 10 >19 C

N A : nkng ñô tTp chRt aceptor trong bán dAn loTi P

N D : nkng ñô tTp chRt donor trong bán dAn loTi N

n i : m4t ñô hTt dAn trong bán dAn thuYn.

n

N

N ln

q

kT V

V

> ðS thS hi6n s? phm thu^c cOa hi6u ñi6n thU vào nhi6t ñ^, ngưci ta ñưa ra khái ni6m ñi6n thU nhi6t:

0

n

N

N ln

V V

V

0 n

N

N ln

V

i

D

A T

1.5 Phân c?c chuySn tiUp PN

> ChuySn tiUp PN có thS ñưdc phân c?c bXng cách dùng m^t ngukn ñi6n áp ñ|t lên hai ñYu cOa chuySn tiUp.

NguBn áp phân cZc thuHn chuyVn ti&p PN.

Khi chuySn tiUp PN ñưdc phân c?c thu4n:

+ ði6n thU hàng rào giGm xuJng →→→ vùng nghèo

BiVu thSc dòng ñi n qua chuyVn ti&p PN (biVu thSc diode)

Quan h dòng – áp trong chuyVn ti&p PN dưQi phân cZc thuHn và phân cZc ngưAc

ð_c tuy&n Volt Ampe

1.6 đánh thOng chuySn tiUp PN

Có 2 nguyên nhân gây ra ựánh thOng: nhi6t vax ựi6n.

> đánh thOng vêx ựi6n ựưdc phân làm 2 loTi: ựánh

(tunnel)

đánh thOng vêx nhi6t xGy ra do sư tắch lũy nhi6t

trong vùng nghèo hTt dAn.

(Dòng I S tăng gTp ựôi khi nhi t ựô7 tăng 10ồồồồC)

> đánh thDng thác luL xGy ra trong các chuySn tiUp P>N

có bêx dày lLn, ựi6n trưcng trong vùng nghèo có tri sô] kha] lLn đi6n trưcng này gia tJc cho các hTt dAn, gây

ra hi6n tưdng ion hóa va chTm làm sGn sinh nhWng ựôi ựi6n tP>lô3 trJng Các hTt dAn vqa sinh ra này lTi tiUp tmc ựưdc gia tJc vax ion hóa các nguyên tư8 khác làm sô] lưdng hTt dAn tăng cao, do ựo] dòng ựi6n sf tăng vtt.

> đánh thDng xuyên h`m xGy ra ` nhWng vùng nghèo tương ựJi hỚp, trc là chuySn tiUp cOa nhWng bán dAn

có nkng ựô N a , N d rRt lLn đi6n trưcng trong vùng nghèo rRt lLn, có kha8 năng gây ra hi6u rng Ộxuyên hYmỢ, trc là ựi6n tư8 trong vùng hóa tri cOa bán dAn P

có kha8 năng chui qua hàng rào thê] ựê8 chTy sang vùng dAn cOa bán dAn N, làm cho dòng ựi6n tăng vtt.

> Biên ñ^ cOa dòng ngưdc khi V xRp x“ V BR

(breakdown voltage) có thS ñưdc tính bXng biSu thrc

sau:

VQi n là hdng sG ñưAc xác ñ=nh te thZc nghi m.

I I

1.6 đánh thOng chuySn tiUp PN

Quan h cDa diode cho thTy

sZ gia tăng ựEt ngEt cDa

dòng khi áp g`n ự&n ựi n áp

ựánh thDng.

SZ gia tăng cDa nhi t

ựE làm cho ự_c tuy&n

d=ch sang trái.

Ví du7 1 5

M^t diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA ` 20° °°°C

Tìm dòng ñi6n qua nó khi ñưdc phân c?c thu4n ` 0,55V Tìm dòng trong diode khi nhi6t ñ^ tăng lên ñUn 100 ° °°°C.

HưQng d/n

Œ T = 20° °°°C ⇒⇒⇒ V T = 0.02527V

V > 0.5V ⇒⇒⇒ ηηη = 1 ⇒⇒⇒ I = 0.283 mA

Œ T = 100° °°°C ⇒⇒⇒ V T = 0.03217V

Khi nhi6t ñ^ thay ñ„i tq 20° °°°C ñUn 100°°°°C, dòng ñưdc

nhân ñôi 8 lYn, do ñó gia tăng 256 lYn:

mA 681

0 )

1 e

( 10

x 256

I ==== −−−−13 0 . 55 / 0 . 03217 −−−− ====

Câu hMi cOng cô] bài

4 BiSu thrc dòng ñi6n qua chuySn tiUp P>N (biSu thrc cOa diode) Hi6u ñi6n thê] hàng rào, ñi6n thê] nhi6t, ñi6n thê] ñánh thOng vax các công thrc tính.