Dụng cụ bán dẫn và vi mạch

N.,, N^ị - Mật dộ nguyên tử axcpto và đôno.Nj,, N p - Mật độ hiệu dụng điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị.. riị, Pị - Mật độ điện tử, mật độ lỗ trống trong bán dẫn khô

i.Ê XUÂN THÊ

LÊ XUÂN THÊ

04 - 2006/CXB/99 - 1860/GD Mă số: 7B623T6 - DAI

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay kỹ thuật điện tử được ứng dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu khoa học, trong các ngành công nghiệp và trong đờl sống hàng ngày Kỹ thuật điện tử là một lĩnh vưc nghiên cứu và sử dụng các linh kiện điện tử bao gồm các dụng cụ bán dẫn và các mạch tổ hợp (IC) để tạo nên các mạch điện tử và các thiết bị điện tử phục vụ con người

Đê giúp sinh viên ngành Vó tuyến điện tử dễ dàng tìm hiểu và nghiên cứu kỹ thuật điện

tử hiện đại, chúng lói đã đưa giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v à VI MẠCH vào dạy clio

sinh viên chuyên ngành Vật lý Vô tuyến Đây là một trong những giáo trình cơ bản đã được dạy nhiều năm ờ Bộ môn Vật lý Vô tuyến.Khoa Vật lý Trưèoig ĐHKHTTN

Giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v à VI m ạ c h gồm có 5 chiromg :

Chương 1 : Những cơ sở vật lý của chất bán dẫn

Chương 2 : Các loại điốt bán dẫn

Chương 3 : Transistor và các dụng cụ bán dẫn khác

Chương 4 : Khuếch đại vi sai

Chương 5 : Khuếch đại thuật toán

Với những nội dung nêu trôn, cuốn sách còn có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho

s in h v i ê n v à c á n b ộ k ỹ thuẠ t c ủ a c á c n g à n h k h á c c ó liê n q u a n đ ế n k ỹ th u ậ t đ iệ n tử n h ư :

Thông tin, Viễn thông, Đo lườiig, Điều khiển, Tự động hoá

Do khá năng có hạn và cuốn sách được viết lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để cuốn sách được bổ sung hoàn hảo hơn

Tác giả

Phần 1

DỤNG CỤ BÁN DẪN

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CHƯƠNG Ị

A - Công thoát n h iệ t; hằng số

B - Độ cảm ứng từ

b - Tỷ sô' độ linh động của điện tử và độ linh động của lỗ trống

C j, Cy - Điện dung lớp chuyển tiếp p - n, điện dung của Varicap

, Dp - Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống

d - Độ rộng lớp chuyển tiếp p - n

E - Điện trưòmg

Eg, Ejj- Mức tạp chất axepto và đôno

Ẹq, E y, Ep - Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hoá trị, mức Fecmi.Ep|, Ep , Ep - Mức Fecmi ỏ bán dẫn không tạp, bán dẫn loại n, loại p

M - Hệ số nhận hạt tải của chuyển tiếp p - n

m*, m* - Khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống

N.,, N^ị - Mật dộ nguyên tử axcpto và đôno.

Nj,, N p - Mật độ hiệu dụng điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị

n - Mật độ điện tử

n^, Hp - Mật độ điên tử trong bán dẫn loại n và trong bán dẫn loại p

riị, Pị - Mật độ điện tử, mật độ lỗ trống trong bán dẫn không tạp

C hương 1

NHỮNG Cơ SỞ VẬT LÝ CỦA CHẤT BÁN DẪN

1.1 T ín h ch ết vật lý và c á c dạng dẫn điện củ a bán dẫn

Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn Điện trở suất của chúng :

‘ÍBD ~ (10“^ -ỉ- lo ’^) Q.cm,nẳm giữa điện trở suất của kim loại ÍKL = (10"^ 10“'*) Q.cm và điện trờ suất của điện môi

ÍĐM = (10'" - 10")

Kim loại

H h- Bán dẫn10-® 10-'’

Điện môi

Hình 1.1 : Điện trở suất của các vật liệu.

Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn và các mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga,

As, và một số chất bán dẫn khác như Se Ti hoặc một số loại oxyt, Cacbit, Sulíua

Tính chất đặc trưng nhất của bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sáng và điện trường Điện trở của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng Ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Khảo sát bằng thực nghiệm cho ta sự phụ thuộc vào nhiệt độ cùa điện trở K của kim loại và bán dăn duọc vẽ irôn hình 1.2

Hình 1.2 : Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

Hỉnh 1.3 : Mạng tinh thể (a) và giản đổ năng lượng (b) của Ge tinh khiết.

Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên tử lân cận bằng 4 điện tử hoá trị Hai đường thẳng nối giữa các nút mạng biểu diễn mối liên kết đổng hoá trị giữa các cặp diện tử dùng chung

Tổng hợp các mức năng lượng của các điện tử hoá trị của tinh thể Ge lý tường tạo nên giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1.3b Trong đó Ec : mức năng lượng đáy vùng dẫn

Ey mức đỉnh vùng hoá trị Ep mức Fecmi AE : độ rộng vùng cấm

ở nhiệt đ ộ T = 0K : Ò bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đểu tham gia mối

liên kết đồng hoá trị Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mức nãng lượng trong vùng hoá trị Còn vùng dẫn không có điện tử Như vậy ở T = OK, bán dẫn không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hoá trị Ey và đáy vùng cấm Ec là vùng cấm có độ rộng AE = E, - Ey

V ớ iG e : A E ~ 0 ,7 2 eVVới Si : AE~1,2 eVNhư vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp một năng lượng > AE Năng lượng này có thể là nàng lượng nhiệt

Khi nhiệt độ T > OK : Do cổ năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số điện tử phá

v5 liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống Độ dẫn này trong điện từ trường giống như một điện tích dương có giá trị diện tích bằng điện tích của điện tử Quá trình tạo nên cặp điện tử tự

do và lỗ trống như trên đưọc gọi là quá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên ưên hình 1 -3b

Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxvveỉl - Boltzman

8

của điện tử và « Np w N ta có :

E ^ —E y AE

Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ điện tử trong vùng dẫn của bán dẫn

không tạp chất lìị bằng mật độ lỗ trống trong vùng hoá trị P i, tức là :

Như vậy múc Fecmi trong bán dẫn không tạp chất được nằm ở giữa vùng cấm (hình 1.3b)

Dưới tác dụng của năng lượng nhiệt, các điện tử trong vùng dẫn và các lỗ trống trong

vùng hoá trị thực hiện chuyển động nhiệt hỗn loạn Song song với quá trình phát sinh nóì

trên, còn xảy ra quá trình các điên tử nhảy từ vùng dẫn xuống lấp vào lỗ trống trong

vùng hoá trị tạo nên quá trình tái hợp của cặp điện tử lỗ trống Số tái hợp tỷ lệ với mật độ

hạt tải diện

Khi đặt điện trường ngoài E vào bán dẫn : chuyển động của điện tử và lỗ trống trong

bán dẫn đ ư ạ : định hướng Nghĩa là khi T > OK bán dẫn có khả năng dẫn điện Độ dẫn càng

lớn khi cưòíng độ của quá trình p h á t sinh ra cặp điện tử lỗ trống càng lớn Độ dẫn này bao

gồm cả chuyển động của điện tử và chuyên động của lỗ trống

Như vậy độ dẫn toàn p h ^ j | ^ | ^ Ệ | ^ ^ c ủ a điện tử cộng với độ dẫn của lỗ trống Gọi dộ

dẫn toàn phẩn là y ta có :

í

Y = + q p P M p ( í - 7 )

í

q^,qp : Điện tích của điện tử và lỗ trống ;

|ij,, |ip : Độ linh động của điện tử và lỗ trống

Độ dẫn này được gọi là độ dẫn riêng của bán dẫn Độ dẫn riêng còn gọi là đô dẫn của bán dãn không tạp chất Bán dẫn không tạp chất còn được ký hiệu là bán dãn loại i Độ dẫn riêng thường là không lớn Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗ trống đều chỉ ỉà do chuyến động của điện tử trong bán dẫn (điện tử trong vùng dẫn chuyển động theo hướng ngược chiều với điện trưòng Còn các điện tử trong vùng hoá trị sẽ chuyên động đến lấp các lỗ trống theo hướng ngược lại với chuyển động của lỗ trống) Mật độ điện tử và lỗ trống của bán dẫn không tạp ở nhiệt độ phòng (20°C) đối với :

Ge : 2.1o''^cm , với

Si ; l,4.10’‘^cm(Mật độ nguyên tử của mạng tinh thể là 5.10“ cm

l.ỉ.2 Bán dẫn tạp chất

• Bán dẫn h ạ i n : Nếu trong tinh thể Ge ta đưa vào tạp chất là nguyên tố nhóm V ví dụ

As Nguyên tử As sẽ chiếm 1 nút mạng Nó bỏ ra 4 điện tử tạo nên liên kết đồng hoá trị và còn thừa 1 điện tử

Điện tử thừa

Hình 1.4 : Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất As.

Các điện tử thừa nằm ở mức năng lượng tạp

vùng dẫn gọi là mức Đonor (mức cho) Mú

trong vùng cấm và gần đáy AEjj « AE nên ờ nhiệt độ10

phòng các điện tử ở mức tạp chất dễ dàng chuyển hết lên vùng dẫn để lại các lỗ trống trên mức (nút mạng có nguyên tử tạp chất trở nên ion điộn tích dương).

Số lượng các điện tử từ mức nhảy lên vùng dẫn rất lớn hofn sô' điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn Như vậy độ dẫn của bán dẫn tạp này là độ dẫn điện tử gọi là bán dẫn loại n Trong bán dẫn loại n thì điện tử là hạt Lải.cơ bản, lỗ trống là hạt tải khôn^ cơ bản

MẠt độ điện tử trong bán dẫn loại n được tính :

• Bán dẫn loại p : Nếu đưa tạp chất là nguyên tô' nhóm III ví dụ In vào Ge ta sẽ được

bán dẫn loại p Nguyên tử In chiếm 1 nút mạng Khi thực hiện liên kết đồng hoá trị sẽ thiếu

Hình 1.5 : Mạng tinh thể (a) và giản đổ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất In.

Mức tạp chất của lỗ trống là nằm trong vùng cấm và gần với đỉnh vùng hoá trị gọi là axeptor (mức nhận) Vì AE^ « AEnên ở nhiệt độ phòng các điện tử trong vùng hoá trị sẽ

dễ dàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức Eạ, để lại hàng loạt lỗ trống trong vùng hoá trị (Nguyồn tử In được điện tử nhảy lên chiêm lỗ trống tạo nên ion âm)

11

Sô' lỗ trống này rất lớn hơn sô' điện tử dẫn tạo nên do quá trình phát sinh hạt tải điện Vì vậy độ dẫn của bán dẫn này là dẫn lỗ trống Lỗ trống là hạt tải cơ bản Bán dẫn được gọi là bán dẫn loại p.

Mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p được xác định :

Độ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạp càng cao (có thể nằm trong vùng hoá trị như ở điot Tunel)

1.2 S ự hình th àn h láp chuyển tiếp p - n Hiệu t h ế tiếp xúc

Miền tiếp giáp giữa hai bán dẫn loại p và loại n được gọi là lớp chuyển tiếp p - n Lớp chuyển tiếp này là cơ sở của hầu hết các dụng cụ bán dẫn Ta có thể tạo nên chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm Trước đây người ta chế tạo các lớp p - n bằng phương pháp bay hơi, khuếch tán Hiện nay người ta dùng phương pháp Epitaxial - Planar Ta hãy nghiên cứu quá trình vật lý xảy ra trong miển chuyển tiếp mặt p - n

Hỉnh 1.6 : Chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm p - n.

Khi đạt hai loại bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, vì mật độ điện tử bên n rất lÓTí hơn bên p

và ngược lại mật độ lỗ trống bên p rất lớn hcm bên n tức là tại miền tiếp giáp nhau có gradian mật độ ;

Dòng khuếch tán là dòng các hạt cơ bản và được xác định :

Hình 1.7 : Sự hình thành hàng rào

thế tiếp xúc và giẳh đổ năng lượng

của chuyển tiếp p - n

khi thế phân cực bằng khổng.

Kếi quả là bôn n tích điện dương bên p tích điện âm tạo nên điện trường E nliư trẽn hình vẽ 1.7 Dưới tác dụng của diện trường này qua lớp chuyển tiếp p - n sẽ có dòng cuốncác hạt tài không cơ bản Nghĩa là lỗ trống từ bán dẫn n và điện từ từ bán dẫn loại p di quamiền tiếp xúc Mật độ dòng cuốn được tính như sau :

jp.c' = q p P M p - E ( 1 - 1 4 )

i n c ' = q n O ^ n - E ( > - 1 5 )

jp : Dòng lỗ trống cuốn ;( ■: Dòng điện tử cuốn ; qp,q„ : Điện tích cùa lỗ trống và điện tử ;

: Độ linh động của lỗ trống và điện tử ;

p : Mật độ lỗ trống ;

n : Mật độ điện tử

Mật độ dòng tổng cộng đi qua miền chuyên tiếp p - n là tổng dòng khuếch tán cộng dòng cuốn Khi không có trườiig ngoài tổng này bằng 0 Vì khi gặp nhau chúng tái hợp trong miền chuyển tiếp p - n Vậy trong trạng thái cân bằng nhiệt động :

itổng = - q p D p ^ + q p P ^ p E + q n D , ^ + qnHMnE = 0 (1-16)Khi có bán dẫn loại p đặt tiếp xúc với bán dẫn loại n thì tại chỗ tiếp xúc xuất hiện hàng rào thế tiếp xúcỌị^

kT

= — = thế nhiệt (T = 300K thì =0,026 V)n^, Rp : Mật độ điện tử trong bán dẫn n và p

Pp, p„ : Mật độ lỗ trống trong bán dẫn p và n (ở chuyển liếp loại Ge : (pK = (0,3 0 ,4)V

Si : (Pk = (0 ,7 ^ 0 ,8 )V

Như vậy khi không có trường ngoài đặt vào thì ờ cliỗ chuyển tiếp p - n có sự cân bầng nhiệt động Lúc đó mức Fecmi ở hai loại bán dẫn nằm ngang nhau (hình 1.7)

14

1.3 Đ à c trưng V o l - A m p e củ a lóp chuyên tiếp p - n

khi phân cực ngược (a) và phân cực thuận (b).

16

ở điện áp ngược V > (4 ^ 5) (p-Ị-((pj = 0, IV ^ 0 , 13V) Thành phần thứ nhất trong

(1 -7 ) (thành phần dòng khuếch tán) IqC có thể bỏ qua và dòng ngược đạt giá trị bão hoàIj^g = I(), giá trị này không phụ thuộc mức độ điện áp ngược Như vậy dòng ngược được xác định bằng dòng các hạt tải không cơ bản (dòng cuốn)

Khi có điện áp ngược, mức Fecmi hai bên chênh nhau v„g Nếu v„g tãng đến v„g thì có sự đánh thủng và Iq tăng lên đột ngột Đánh thùng lóp p - n ờ đây kèm theo đánh thủng nhiệt Sự đánh thủng được giải thích như sau :

Khi V^g > điện trường trong lớp p - n tăng lêjT gia tốc các hạt tải có nănglượng lớn khi va chạm sẽ ion hoá vật chất của lớp chuyển tiếp tạo nên thác lũ các cặp điện tích bổ sung làm tăng mạnh dòng ngược

Khi nhiệt độ môi trường tăng, dòng ngược cũng tăng theo công thức :

c h u y é n d ô iầ g v ề p h ía p c ò n l ỏ u ố n g c h u y ể i i đ ô ii g v é p liía 11 V ịi, đ ặ l v à o ià in c h o h à n g r à o

thế hạ xuống một lượng Vịj, (hình 1.8b) và tạo điều kiện cho sự phun hạt tải cơ bản lỗ trống

từ p sang n và e từ n sang p Khi đó qua lórp chuyển tiếp p - n sẽ có dòng thuận lớn đó là dòng các hạt cơ bản đi qua Hàng rào thế càng hạ thấp thì dòng thuận tiếp tục tăng trong khi giá trị dòng cuốn ngược không đổi

Khi chế tạo người ta thường tạo nên mật độ hạt loại p lón hơn 2 -ỉ-3 lẫn loại n (hoặc ngược lại) Miền mật độ hạt cao, trở nhỏ, sẽ phun hạt tải qua lớp chuyển tiếp mạnh dùng làm emitơ Miền mật độ thấp, trờ cao dùng làm bazơ

Dòng thuận gồm lỗ trống và điện tử :

Đặc trưng V - A khi phân cực thuận trên hình 1,9b

Khi V|h tăng thì I|h tăng theo hàm exp Ị

Ị

2-0CBD&VM 1 7

Khi Vịj, » (P j dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở của miển bazơ Tị,.

Dòng thuận lớn gấp trãm lần dòng ngược Tính chất này là tính chỉnh liai của chuyên tiếp p - n Khi tăng nhiệt độ, dòng thuận cũng cao hofn

Bán dẫn khi có mật đô tạp cao được gọi là bán dẫn suy biến Khi đó độ rộng kíp chuyển

0tiếp chỉ hẹp cỡ lOOA Vùng hoá trị của bên p cao lên trùng với vùng dẫn của n Khi đó điện tử từ n có thể chui sang p bằng hiệu ứng đường hẩm Lúc đó ta có nguyên tắc hoạt động của điốt Tunel Đặc trưng V - A của điốt Tunel có dạng hình 1,9c

1.4 Chiểu rộng, điện dung củ a chuyển tiếp p - n

Sự phân bố thế trong miền chuyên tiếp được xác định bằng nghiệm của phương trình Poisson Quan hộ giữa trường thế cp và mật độ điện tích khối q ờ đó :

d^(p

d ỉ

( 1 - 21 )

1.4.1 Chiều rộng của lớp chuyển tiếp p - n

Khi cho rnột khối bán dẫn loại p tiếp xúc với khối bán dẫn loại n thì sự phân bố điện tích khối ở mặt tiếp xúc đó có dạng nhảy bậc như hình 1.1 0

Phương trình Poisson ở đây là :

x„ > X > 0

dx^

qNd

ee,

: Mật độ nguyên tử Đonor trong bán dẫn loại n

N a : Mật độ nguyên tử Axeptor trong bán dẫn loại p

Với điểu kiện biên :q

EE,

d x - > % = - ^ x + c ,

dx £8/

18