linh kiện bán dẫn

Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm.. §ièt b¸n dÉn• Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ đ

LInh kiÖn b¸n dÉn

vµ c¸c øng dông

Chất bỏn dẫn (tiếng Anh:

giữa chất dẫn điện và chất cỏch điện Chất bỏn dẫn hoạt động như một chất cỏch

điện ở nhiệt độ thấp và dẫn điện càng tốt khi nhiệt độ tăng Gọi là "bỏn dẫn" (chữ

"bỏn" theo nghĩa Hỏn Việt cú nghĩa là một nửa), cú nghĩa là cú thể dẫn điện ở một

điều kiện nào đú, hoặc ở một điều kiện

khỏc sẽ khụng dẫn điện

ChÊt b¸n dÉn tinh khiÕt:

ChÊt b¸n dÉn tinh khiÕt phæ biÕn lµ Si Trong bảng tuần

hoàn Silic (Si) có sè thø tù lµ 14, cÊu h×nh electron lµ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp

đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s2 3p2 Điều này làm nguyên tử

Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các

nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên

tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận đÓ lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Chất bán dẫn tinh khiết có số lượng e tự do

và lỗ trống xấp xỉ bằng nhau =>dẫn điện

kém Để dẫn điện tốt hơn, người ta pha tạp thêm một số nguyên tố khác vào chất bán dẫn tinh khiết => tạo ra chất bán dẫn tạp chất loại N và P.

M« h×nh chÊt b¸n dÉn t¹p chÊt

M« h×nh chÊt b¸n dÉn lo¹i N M« h×nh chÊt b¸n dÉn lo¹i P

Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn

loại P này

Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các

điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất

điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện

âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích

điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự do

Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn Điện trường tạo

ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được

Mét sè linh kiÖn b¸n dÉn c¬ b¶n

• §ièt

• Transistor

• Quang ®iÖn trë

§ièt b¸n dÉn

• Điốt bán dẫn là các

linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến,

cho phép dòng điện đi qua nó theo một

chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn.

• Có nhiều loại điốt bán dẫn, như

điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener , LED, Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

Nguyên tắc hoạt động

Hai bờn mặt tiếp giỏp của lớp tiếp xúc P-N là

vựng cỏc điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nờn quỏ trỡnh tỏi hợp thường xảy ra ở vựng này hỡnh thành cỏc nguyờn tử trung hũa Vỡ vậy vựng biờn giới ở hai bờn mặt tiếp giỏp rất hiếm cỏc

hạt dẫn điện tự do nờn được gọi là vựng nghốo Vựng này khụng dẫn điện tốt, trừ phi điện ỏp

tiếp xỳc được cõn bằng bởi điện ỏp bờn ngoài Đõy là cốt lừi hoạt động của điốt

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp

tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ

trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa

và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt

Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện

áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và

lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nói cách khác

điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện

áp theo một hướng nhất định

Tính chất

• Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt sang ca-tốt.

• Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận

và dòng điện qua điốt lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID tức IDIODE) Dòng

điện thuận có chiều từ a-nốt sang ca-tốt.

• Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo

chiều ngược ca-tốt sang a-nốt Thực tế là vẫn

tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn Tuy nhiên dòng điện

ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần

quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp 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

§Æc tuyÕn V«n - Ampe cña ®ièt

Ứng dụng cña ®ièt b¸n dÉn:

• Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều

từ a-nốt đến ca-tốt khi phân cực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

thành dòng điện một chiều

• Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu

phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực nghịch

RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức

điện áp, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử

Mét sè lo¹i ®ièt th«ng dông:

• Điốt được chia ra nhiều thể loại tùy theo vùng hoạt động của Điốt

Phân loại theo sự phân cực:

• Điốt phân cực thuận Chỉ cần một điện áp dương đủ để cho Điốt dẫn điện Điốt sẽ cho dòng điện đi qua theo

một chiều từ Cực Âm đến Cực Dương và sẽ cản dòng điện đi theo chiều ngược lại Thí dụ : Điốt Bán dẫn, LED

• Điốt phân cực nghịch Chỉ cần một điện áp âm đủ để cho Điốt dẫn điện Điốt sẽ cho dòng điện đi qua theo 2 chiều Thông thường, dẫn điện tốt hơn trong chiều

nghịch Thí dụ : Điốt Zener, Điốt biến dung,…

Một số loại điốt thông dụng (Riêng hình dưới cùng là một cầu nắm điện được tích hợp từ bốn đi ốt

để nắn điện xoay chiều thành một chiều)

Điốt phát quang (LED)

Điốt thường: cấu tạo bởi chất bỏn dẫn Silic hoặc Gecmani cú pha thờm một số chất để tăng thờm electron tự do Loại này dựng chủ yếu để chỉnh lưu dũng điện hoặc trong mạch tỏch súng

Điốt Schottky: Ở tần số thấp, điốt thụng thường

cú thể dễ dàng khúa lại (ngưng dẫn) khi chiều phõn cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đú, sự

ngưng dẫn khụng thể đủ nhanh để ngăn chặn dũng điện suốt một phần của bỏn kỳ ngược

Điốt Schottky khắc phục được hiện tượng này

Điốt Zener, còn gọi là "điốt đánh thủng" hay "điốt ổn áp": là loại điốt được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng Khi sử dụng điốt này mắc ngược chiều lại, nếu điện áp tại mạch lớn hơn

điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho dòng điện đi qua đến khi điện áp mạch

mắc bằng điện áp định mức của điốt -

Đây là cốt lõi của mạch ổn áp

• Điốt phát quang hay còn gọi là LED (Light

Emitting Diode) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng

giống như điốt bán dẫn, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

Điốt quang (photodiode): là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng vào thành đại lượng điện, thường sử dụng ở các máy ảnh (đo cường độ sáng), sử dụng trong các mạch điều khiển (kết hợp một điốt phát quang và một điốt quang thành một cặp), các modul đầu ra của các PLC

Điốt biến dung (varicap): Có tính chất đặc biệt,

đó là khi phận cực nghịch, điốt giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu

hình, máy thu sóng FM và nhiều thiết bị truyền thông khác

Điốt ổn định dòng điện: là loại điốt hoạt động ngược với Điốt Zener Trong mạch điện điốt này

có tác dụng duy trì dòng điện không đổi

Điốt step-recovery: Ở bán kỳ dương, điốt này

dẫn điện như loại điốt Silic thông thường, nhưng sang bán kỳ âm, dòng điện ngược có thể tồn tại một lúc do có lưu trữ điện tích, sau đó dòng điện ngược đột ngột giảm xuống còn 0

Điốt ngược: Là loại điốt có khả năng dẫn điện theo hai chiều, nhưng chiều nghịch tốt hơn chiều thuận

Điốt xuyên hầm: Nếu tăng nồng độ tạp

chất của điốt ngược, có thể làm cho hiện tượng đảnh thủng xảy ra ở 0V, hơn nữa, nồng độ tạp chất sẽ làm biến dạng đường cong thuận chiều, điốt đó gọi là điốt

• Cũng giống như điốt, transistor được tạo thành từ hai

chất bán dẫn điện Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP

transistor Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẩn điện âm ta được một NPN transistor.

• Mọi transistor đều có ba chân:

Cùc gèc( base )

Cùc gãp( collector )

Cùc phát ( emitter )

• Để phân biệt PNP hay NPN transistor ta căn cứ vào ký

hiệu linh kiện dựa vào mũi tên trên đầu phát Nếu mũi tên hướng ra thì transistor là NPN, và nếu mũi tên

hướng vµo thì transistor đó là PNP.

NPN Transistor:

PNP Transistor:

được mắc nối với mạch điện các kiểu khác nhau

để thực hiện những chức năng sau:

-Khóa điện tử

-Truyền dẫn điện

-Bộ khuếch đại

Hoạt động của Transistor:

• Transistor hoạt động được nhờ đặt một

điện thế một chiều vào vựng biờn (juntion) Điện thế này gọi là điện thế kớch hoạt (bias voltage)

• Mỗi vựng trong transistor hoạt động như một

điốt Vỡ mỗi transistor cú hai vựng và cú thể kớch hoạt vúi một điện thế thuận hoặc nghịch Cú tất

cả bốn cỏch thức (mode) hoạt động cho cả hai PNP hay NPN transistor:

Phân cực thuận Saturation Thuận

(Forward Thuận (Forward)Phân cực nghịch thuận

• Phân cực thuận nghịch ( The Active mode ) dùng cho việc khuếch đại điện thuận

• Phân cực nghịch thuận ( Reverse-Active ) dùng cho việc khuếch đại điện nghịch

• Vùng ( The Cut-Off ) and ( Saturation )

modes dùng như công tắc ( switch ) và

biểu hiện trạng thái 1,0 trong điện số

Transistor nhiÖt:

• Các nhà vật lý Phần Lan và Italia khảng định đã chế tạo được

“transistor nhiệt” đầu tiên trên thế giới mà dòng nhiệt giữa 2 điện cực trong “transistor nhiệt” này được điều khiển bởi điện áp đặt vào dây dẫn điện thứ 3

Dòng nhiệt có thể tăng, giảm hoặc thậm chí có thể tắt đi khi thay đổi điện áp giống như dòng điện được điều khiển trong

transistor truyền thống.

Transistor nhiÖt

Mét sè h×nh ¶nh

vÒ Transistor:

Hiện tượng quang dẫn:

Một số chất bỏn dẫn là chất cỏch điện khi khụng bị chiếu sỏng và trở thành chất dẫn điện khi bị chiếu sỏng Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bỏn dẫn khi bị chiếu sỏng gọi là hiện tượng quang dẫn

Trong hiện tượng quang dẫn, mỗi phụtụn của ỏnh sỏng kớch thớch khi bị hấp thụ sẽ giải phúng một electrụn liờn kết để nú trở thành một ờlectrụn tự do chuyển động

trong khối chất bỏn dẫn đú Cỏc electrụn liờn kết khi được giải phúng, sẽ để lại một “lỗ trống” mang điện dương

Những lỗ trống này cũng cú thể chuyển động tự do từ

nỳt mạng này sang nỳt mạng khỏc và cũng tham gia vào quỏ trỡnh dẫn điện.Hiện tượng giải phúng ờlectrụn liờn kết

để cho chỳng trở thành cỏc ờlectrụn dẫn gọi là hiện

tượng quang điện bờn trong

Quang ®iÖn trë:

Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn

(cadimi sunfua CdS chẳng hạn) phủ trên một tấm nhựa cách điện Có hai điện cực gắn vào lớp chất

bán dẫn đó

Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói trên Đo điện trở của quang trở CdS, người ta thấy: khi không bị chiếu sáng,

điện trường của nó vào khoảng 3x10 6Ω ; khi bị

chiếu sáng, điện trở của nó chỉ còn khoảng 20Ω Ngày nay, quang trở được dùng thay cho các tế bào quang điện trong hầu hết các mạch điều khiển tự

động.

Pin quang ®iÖn :

nguồn điện trong đó

quang năng được biến

đổi trực tiếp thành

điện năng Pin hoạt

động dựa vào hiện

tượng quang điện bên

trong x¶y ra trong một

chất bán dẫn

Các pin mặt trời ở các

máy tính bỏ túi, trên

các vệ tinh nhân tạo

v.v… đều là pin quang

điện

Pin mÆt trêi

bằng một qui trình thống nhất đã được thiết kế

để thực hiện một hoặc nhiều chức năng, nhiệm

vụ Đó là các mạch vi điện tử (IC)

Mạch vi điện tử từ khi xuất hiện đã trở thành linh kiện điện tử chủ yếu trong giai đoạn hiện nay và tiếp sau của công nghệ Điện tử – Tin học – Viễn thông

Ưu điểm của vi mạch điện tử:

• Có kích thước ngày càng nhỏ và mật độ phân tử điện tử ngày càng lớn.

• Độ tin cậy và chắc chắn khi hoạt động đư

ợc nâng cao rõ rệt.

• Có thể hoàn thành nhiều nhiệm vụ, chức năng trên một chip đã chế tạo.

• Độ linh hoạt (tốc độ phản ứng) nhanh.

• Tiêu hao năng lượng ngày càng nhỏ.

Ph©n lo¹i IC:

Dựa trên qui trình sản xuất, có thể chia IC

ra làm 3 loại

• IC màng (film IC):

• IC đơn tính thể (Monolithic IC):

• IC lai (hibrid IC)

IC màng (film IC):

Trên một đế bằng chất cách điện, dùng các lớp màng tạo nên các thành phần khác Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, và cuộn cảm mà thôi

Có một thời, Transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng vào IC màng Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai đđoo¹n thực dụng, nếu không phải là ít có triển vọng

thực dụng

IC đơn tính thể (Monolithic IC):

Còn gọi là IC bán dẫn (Semiconductor IC) – là IC dùng một đế (Subtrate) bằng chất bán dẫn (thường là Si) Trên (hay trong)

đế đó, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho các bộ phận

đó trên lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau.

IC lai (hibrid IC).

Là loại IC lai giữa hai loại trên

Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa các thành

phần thụ động), người ta gắn ngay trên đế của

nó những thành phần tích cực (transistor, diode) tại những nơi đã dành sẵn Các transistor và

diode gắn trong mạch lai không cần có vỏ hay

để riêng, mà chỉ cần được bảo vệ bằng một lớp men tráng

Dựa trên chức năng xử lý tín hiệu, người ta chia IC là hai loại:

IC Digital:

signal) là tín hiệu có trị giá nhị phân (0 và 1) Hai mức điện thế tương ứng với hai trị giá (hai logic) đó là:

nhau: Đóng và mở, đúng và sai, cao và thấp…

IC analog:

Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, đó là loại tín

hiệu biến đổi liên tục so với IC Digital, loại IC

Analog phát triển chậm hơn Một lý do là vì IC Analog phần lớn đều là mạch chuyện dụng

(special use), trừ một vài trường hợp đặc biệt

như OP-AMP (IC khuếch đại thuật toán), khuếch đại Video và những mạch phổ dụng (universal use) Do đó để thoả mãn nhu cầu sử dụng,

người ta phải thiết kế, chế tạo rất nhiều loại

khác nhau

Lịch sử phát triển của ngành sản xuất IC:

Chúng ra sẽ bắt đầu với câu nói rất nổi tiếng trong

thập kỉ 90, khi đó Wolfgang Pauli đã nói:

“one shouldn’t work-on, semiconductor that is a filthy

– 1931.

Tức là khi đó, đối với con người thì semiconductor

đúng chỉ là một mớ hỗn độn – filthy mess, con người chưa hề có một ý thức về tác dụng của nó Nhưng đến thời điểm hiện tại thì công nghệ bán dẫn nói chung,

và công nghệ sản xuất IC đã không còn xa lạ với mỗi người Ở mọi nơi, mọi chỗ ta luôn nhìn thấy sự hiện hữu của công nghệ điện tử và của ngành sản xuất IC Một số mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của

công nghệ sản xuất IC trên thế giới.

• 1940 - PN junction

Russel Ohl tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã tạo ra tiếp giáp PN junction điện áp 0.5 volts khi được phơi

ra ngoài nắng Đây chính là khởi đầu cho sự phát

triển của ngành bán dẫn sau này.

Năm1945, Bell Labs đã thành lập một nhóm chuyên gia để phát triển bán dẫn thay cho đèn chân không lúc đó đang được sử dụng rộng rãi Nhóm chuyên gia đứng đầu là William Shockley bao gồm 2 chuyên gia John Bardeen, Walter Brattain và một số người khác Năm 1947 Bardeen and Brattain đã phát minh

ra transistor đầu tiên (point-contact transistor) với tên gọi sơ khai là "transfer resistance" device – thiết