Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn; Bán dẫn tinh khiết; Bán dẫn tạp chất; Tiếp giáp P-N;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

Giới thiệu chung

Vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng nằm giữa hai loại vật liệu cách điện và dẫn điện:

- Vùng hóa trị của bán dẫn hoàn toàn được lấp đầy điện tử

- Độ rộng của vùng trống tương đối hẹp (<2eV) Do đó các điện tử nằm trong vùng hóa trị dễ dàng bị kích thích để di chuyển lên vùng dẫn để vật liệu trở thành dẫn điện.

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

1 Bán dẫn tinh khiết

Trong chất bán dẫn tinh khiết:

- Mỗi khi e di chuyển lên vùng dẫn để tham gia quá trình dẫn điện sẽ để lại sau nó 1 lỗ trống trong vùng hóa trị.

- Lỗ trống cư xử như 1 ion +

- Dưới tác dụng của E, e -> phải và h -> trái

- Hiện tượng này gọi là dẫn điện bằng lỗ trống (hole conduction)

- Số lượng e ne = nh

Điện dẫn của bán dẫn tinh khiết

Khi đặt dưới điện áp trong bán dẫn tinh khiết xuất hiện

một dòng điện chạy qua nó Quá trình dẫn điện do cả

hai loại điện tích điện tử và lỗ trống tạo nên Dòng

điện tổng cộng chạy trong chất bán dẫn được viết dưới

dạng:

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

Do J=nqv, nên công thức trên có thể viết lại thành:

Do trong chất bán dẫn tinh khiết số điện tử và số lỗ trống bằng nhau nên ne=nh=n,

Sử dụng định luật Ohm ta có:

Vì độ linh động μ của điện tích được đo bằng vận tốc có hướng của điện tích trên một đơn vị điện trường:

Vì vậy điện dẫn của bán dẫn được viết dưới dạng:

Độ linh động của điện tử (μe), m 2 /Vs 0,135 0,39

Độ linh động của lỗ trống (μh), m 2 /Vs 0,048 0,19

Mật độ điện tích (n), /m 3 1,5.10 16 2,4.10 19

Mật độ vật chất, g/cm 3

Một số tính chất vật lý của Si và Ge ở nhiệt độ phòng

Vật liệu bán dẫn – Silicon (Si)

Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi

trong các thiết bị điện, điện tử hàng

ngày như máy tính cá nhân, TV, điện

thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số,

thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn được sử rộng

dãi nhất trong ngành công nghiệp bán

dẫn là Silic (ký hiệu hóa học = Si) Silic là

nguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đất

sau oxy Hầu hết Silic được tìm thấy

trong đất và đá, nhưng nó cũng được

chứa trong nước tự nhiên, cây cối và

thực vật

Cấu trúc đơn tinh thể là một cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp một cách trật

tự trong không gian ba chiều, các đơn vị cơ bản trong cách sắp xếp này được gọi là mạng tinh thể Một đơn tinh thể là một mạng tinh thể trong một trật tự, sắp xếp liên tục

Mạng tinh thể của Silic có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể của kim cương, trong đó mỗi nguyên tử Silic được liên kết với bốn nguyên tử silic gần nhất Silic là một nguyên tố rất phổ biến, và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn vì cấu trúc ổn định của nó

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

2 Bán dẫn tạp chất

 Do mật độ điện tích trong bán dẫn tinh khiết nhỏ, dòng điện chạy trong

nó cũng nhỏ nên ứng dụng của chúng rất hạn chế, vì thế bán dẫn tạp chất

đã ra đời

 Bán dẫn tạp chất có thành phần là chất bán dẫn tinh khiết có trộn thêm một loại tạp chất còn gọi là chất kích thích (doping) để tăng đặc tính điện của nó

 Có hai loại bán dẫn tạp chất là bán dẫn tạp chất loại n và bán dẫn tạp chất loại p

Loại N

Phân bố năng lượng trong chất bán dẫn loại n Phân bố năng lượng trong

chất bán dẫn loại p

•Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị lớn

hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn

tinh khiết (Germani (Ge) hoặc Silic (Si)).

•Tạp chất loại này gọi là chất cho (donor) vì nó

cho chất bán dẫn điện tử dẫn mà không tạo

thành lỗ trống mới ở vùng hóa trị

•Tạp chất loại n thường là antimony (Sb),

arsenic (As) hoặc phosphorous (P)

Loại P

•Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị nhỏ hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn tinh khiết

•Tạp chất loại này cho chất bán dẫn lỗ trống

•Tạp chất dùng để tạo loại bán dẫn này thường

là brom, nhôm, gallium và indium (Br, Al, Ga,In)

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

3 Tiếp giáp P-N

Một tiếp giáp P-N ở trạng thái cân bằng

•Kết quả của sự khuếch tán electron từ vùng N đến vùng P tạo

ra vùng trống, đó là một vùng trống (không có) điện tích

•Thế năng rào chắn được tạo ra tại giao diện của tiếp giáp P-N

•Nhưng nếu chúng ta áp dụng một điện áp cho nó, hai điều có thể xảy ra:

• Dòng điện xuất hiện nếu chúng ta phân cực thuận

• Không có dòng điện nào nếu chúng ta phân cực

ngược cho tiếp giáp P-N.

Một tiếp giáp P-N sau thời điểm ban đầu t0 gần bằng 0

giây, các electron tự do trong chất bán dẫn loại N đã di

chuyển, hoặc khuếch tán, sang chất bán dẫn loại P làm đầy

lỗ trống, điều này làm tăng điện tích dương trong vùng N

và tăng điện tích âm trong vùng P Quá trình khuếch tán

này xảy ra rất nhanh và có thể được coi là tức thời

Chương 3 Vật liệu bán dẫn

3 Tiếp giáp P-N

4 Ứng dụng

Đầu tiên chúng ta cần biết được ký hiệu của Transistor NPN :

Base ký hiệu là B hay còn gọi là cực Nền

Emitter ký hiệu là E hay còn gọi là cực Phát

Collector ký hiệu là C hay còn gọi là cực Thu

Transistor NPN có 3 lớp N – P – N với cực B tương ứng với P nằm ở giữa còn E và C là hai cực nằm hai bên tương ứng với N

Nguyên lý hoạt động của Transistor PNP tương tự như NPN nhưng cực tính của PNP ngược lại với NPN

Sử dụng trong các mạch khuyếch đại

Phân cực ngược Phân cực thuận

Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều

từ anode sangcathode Theo nguyên

lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn

có dòng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anode một điện thế cao hơn ở cathode

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược cathode sanganode

Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn

Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

•Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định)

•Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp)

- Dòng phân cực ngược rất nhỏ, nhưng khi điện

áp ngược đặt trên chuyển tiếp PN tăng vượt qua

một giá trị nhất định dòng ngược sẽ tăng đột

ngột – đó là hiện tượng đánh thủng.

Semiconductors in Solar Cells

•Để pin mặt trời hoạt động, loại n tiếp xúc với ánh sáng trong khi loại p thì không

•Tại điểm nối, các electron chảy từ n -> p, thiết lập một dải điện áp trên vùng trống, cuối cùng sẽ ngăn cản dòng điện tử tiếp theo

•Khi một photon tác động lên một e trong vùng trống, nó sẽ được giải phóng và đẩy về phía lớp n bằng điện trường E

•Điều này tạo ra sự khác biệt điện áp giữa các lớp loại n & p

•Kết quả là, e-thừa trong loại n chảy vào các tiếp điểm điện được tạo bởi lưới kim loại mịn

và thông qua một mạch bên ngoài để đến lớp loại p để bổ sung cân bằng điện tử tổng thể