Tài liệu Chất bán dẫn ppt

Trong chất bán dẫn loại P nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử vì vậy lỗ trống được gọi là hạt mang đa số và điện tử là hạt mang thiểu số.. Xem hình vẽ : • Trong điều kiện nhất định

1 Chất bán dẫn : Bán dẫn là chất có cấu trúc nguyên tử tương đối đặc biệt Các điện tử vành ngoài không dễ dàng tách khỏi hạt nhân như vật liệu dẫn điện nhưng cũng không ràng buộc quá chặt với hạt nhân như vật liệu cách điện Các loại bán dẫn thông dụng là Ge, Si

Với cấu trúc như vậy nên tính dẫn điện của bán dẫn nằm giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện

1. Người ta chia chất bán dẫn thành 2 loại : bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

do Nó dẫn điện nhờ lỗ trống nên được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại

P Trong chất bán dẫn loại P nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử vì vậy lỗ trống được gọi là hạt mang đa số và điện tử là hạt mang thiểu số

chúng là đa số Số lượng hạt mang lỗ trống là rất ít nó là tối thiểu Dẫn điện ở đây chủ yếu dựa vào điện tử nên gọi là bán điện tử hay bán dẫn loại N

Hạt dẫn điện của bán dẫn sạch là điện tử hoặc lỗ trống,

Lỗ trống : để làm rõ bản chất lỗ trống ta xem xét cấu trúc của Ge và Si : trong nguyên tử ở vành ngoài cùng chúng đều có 4 điện tử

Si: có 14 điện tử : 2 - 8 - 4 (hoá trị 4)

Ge có 32 điện tử : 2 - 8 - 18 - 4 (hoá trị 4)

Khi sắp xếp thành tinh thể, 4 điện tử vành ngoài không những không chịu ảnh hưởng của hạt nhân mà còn liên kết với 4 nguyên tử đứng xung quanh

• Hai nguyên tử cạnh nhau có đôi điện tử góp chung đó là mối liên đồng hoá trị Xem hình vẽ :

• Trong điều kiện nhất định nào đó (nhiệt độ) chuyển động nhiệt đã làm cho một số điện tử thoát khỏi sự ràng buộc của hạt nhân trở thành điện tử tự do và để lại một lỗ trống

• ở lỗ trống, điện tử kế cận rơi vào đó và lại tạo nên lỗ trống mới ở cạnh Từ đó đã gây nên sự di chuyển của lỗ trống Sự di chuyển này tương tự như sự di chuyển của hạt nhân mang điện dương

Như vậy, trong chất bán dẫn hạt mang điện là điện tử tự do mang điện âm và lỗ trống mang điện dương khi có điện áp đặt vào, chuyển động của điện tử tự do

và lỗ trống sẽ tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn

Trong quá trình chuyển động có lúc điện tử và lỗ trống tái hợp

Ở điều kiện nhất định sự phát xạ và sự tái hợp của các điện tử và lỗ trống diễn

ra không ngừng nhưng quá trình luôn ở mức cân bằng động nhất định

Bán dẫn pha tạp chất:

Chất bán dẫn sạch có điện có điện tử tự do và lỗ trống, tuy nhiên mật độ các hạt mang điện đó là thấp nên khả năng dẫn điện nói chung là kém

Khi pha thêm tạp chất vào bán dẫn sạch, có khả năng làm tăng tính dẫn địen lên rất nhiều nhờ vậy nó có nhêìu ứng dụng quan trọng

Với Si khi pha thêm B: ( bán dẫn loại P )

B là nguyên tố hoá trị 3, có 3 điện tử vành ngoài, khi liên kết đồng hoá trị với

Si thì mỗi nguyên tử B sẽ hình thành một lỗ trống

Vì số lượng B pha là nhỏ nên không làm thay đổi cấu trúc cơ bản của tinh thể

Si song nó lại làm tăng số lỗ trống lên rất nhiều

Vật liệu bán dẫn loại này dẫn điện yếu nhờ lỗ trống, vì vậy lỗ trống được gọi là hạt đa số và vật liệu bán dẫn lỗ trống được gọi là bán dẫn loại P

Với Si pha thêm P ( bán dẫn loại N)

• Nếu khuyếch tán nguyên tố hoá trị 5 như P vào đơn tinh thể Si thì xảy ra khác hẳn P có 5 điện tử hoá trị, khi liên kết đồng hoá trị với Si , chỉ 4 điện tử hoá trị của P ghép chung với Si, còn 1 điện tử của P thừa chịu ràng buộc yếu với hạt nhân, nó trở thành điện tử tự do và là hạt dẫn

đa số

• Chất bán dẫn này hạt dẫn đa số là điện tử, hạt mang thiểu số là lỗ trống Chất bán dẫn điện tử gọi là bán dẫn loại N

2. Lớp tiếp xúc P-N:

Khi ghép 2 tấm bán dẫn P và N với nhau Do nồng độ điện tử và lỗ trống ở 2 tấm khác nhau nên có sự khuyếch tán ngược sang nhau

Sự khuyếch tán sẽ dừng lại khi hình thành điện trường nội đủ lớn ngăn lại sự chuyển động của điện tử và lỗ trống

Khi có sự cân bằng, ở lớp tiếp xúc hình thành một miền mà ở đó không có điện tích không gian nữa ( điện tử và lỗ trống ), ở đây thiếu các hạy dẫn nên gọi là vùng nghèo kiệt, ở điều kiện thường độ dày vùng nghèo kiệt lớp tiếp xúc này là khoảng vài chục µm Độ dày này có thể thay đổi tuỳ thuộc điều kiện tác động bên ngoài như nhiệt độ, điện trường ngoài

Ta khảo lớp tiếp xúc PN khi có tác dụng của điện trường ngoài.

• Khi có điện áp thuận đặt vào lớp PN: làm cho vung nghèo kiệt thu hẹp lại Sự cản trở của vùng nghèo kiệt giảm và tính dẫn điện qua lớp tiếp xúc tăng Có thể nói: Khi có điện áp thuận đặt vào, điện trở lớp tiếp xúc trở nên rất nhỏ - tính dẫn điện là tốt hơn

• Khi có điện áp thuận đặt vào lớp PN:

Khi có điện trường ngoài cung chiều với điện trường trong vùng nghèo kiệt làm tăng thêm độ rông Sự cản trở chuyển động các hạt mang tăng lên có thể nói : khi có điện áp ngược đặt vào lớp tiếp xúc tăng lên

3.2.2.ĐIOD BÁN DẪN:

Cấu tạo :

Điốt bán dẫn là một lớp tiếp xúc PN được nối các điện cực và đóng vỏ, các chất bán dẫn thông dụng là Ge ( loại P và N) và Si (loại P và N)

Điốt có nhiều loại và được dùng vào nhiều mục đích khác nhau : tần số cao, tần số thấp, công suất lớn, công suất nhỏ, điốt ổn áp

Đặc tuyến Von Ampe của điốt :

Sự phụ thuộc dòng điệ qua điốt và hiệu điện thế dặt vào hai đầu điốt được biểu diẽn bởi phát triển phương trình :

• I dòng điện qua điốt

• I S Dòng bảo hoà nghịch

• Vt = kt / q đương lượng điện áp của nhiệt độ

• K = 1,381.10 23 / 0 K, biết q = 1,6.10 -19 C nên vt = 1/1600

• ở T 0 K=300 0 K thì vt=26mV

Dòng thuận :

• Khi có điện áp thuận đặt vào dòng điện phụ thuộc vào điện áp theo dạng hàm

mũ

• Khi có điện áp lớn hơn Vo, dòng điện tăng vọt

• Ngưỡng điện áp Vo được gọi là điện áp mở điốt

• Với Si : dòng mở khoản 0,5 V

• Với Ge : điện áp mở khoảng 0,1 V

Dòng nghịch : khi có điện áp nghịch đặt vào điốt dòng qua điốt thường rất nhỏ và

không thay đổi theo điện áp và được gọi là dòng ngược của điốt

• Với Si : dòng ngược khoảng nA

• Với Ge dòng ngược khoảng nA

Dòng ngược phụ thuộc vào nhiệt độ Khi U ngược tăng đến một giá trị nào đó đủ lớn

Vb thì dòng ngược lại tăng vọt Khi đó ta nói điốt đã bị đánh thủng

Với đặc tuyến V – A như vậy của điốt cho phép sử dụng điốt như khoá điện tử

Đặc tính đóng mở của điốt :

Từ đặc tuyến đóng mở của điốt cho ta thấy, khi V < Vo thì dòng qua điốt Id nhỏ Với điốt thường lấy ngưỡng Vo = V và đó là ngưỡng tắt của điốt Khi đó ta nói điốt đóng

và Id @ 0

Khi V > Vo thỡ Diod mới thực sự cho dũng điện tăng vọt, khi đú ta núi diod thực sự thụng Do vậy ta lấy ngưỡngV0 = 0,7 làm ngưỡng thụng của Diod và Diod trở thành dẫn hoàn toàn.

Về mặt cấu trúc, người ta chia Tranzito thành 2 loại NPN và PNP Tranzito là liên kết bán dẫn có 2 lớp tiếp xúc PN; lớp tiếp xúc Emito và lớp tiếp xúc Colecto Cấu trúc gồm 3 khu vực là : Emito, Bzo, Colecto.

Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn P và Bazo dung bán dẫn loại N Ta được Tranzito loại NPN

Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn loại N và Bazo dùng bán dẫn loại P Ta được Tranzito loại NPN.

3.3.2 ĐẶC TÍNH CHUYỂN MẠCH CỦA TRANZITO:

Tranzito là liên kết chuyển mạch ( khoá chuyển mạch ) cơ bản nhất trong điện tử số Tuỳ theo điện áp vào, Tranzito sẽ ngắt hoặc thông tương tự như khoá chuyển mạch

vậy.

Với mạch điện trên, khi điện áp vào Vi = 0 khi đó Tranzito ngắt mạch và khi Vi = 3 V khi đó Tranzito tự động thông mạch Vì vậy Tranzito có chế độ hoạt động đóng mở giống như một khoá chuyển mạch

1. Điều kiện thông hoà của Tranzito : để đặc trưng cho độ khuyếch đại dòng

điện của Tranzito người ta dùng hệ số khuyếch đại dòng được định nghĩa như sau :

Với dòng một chiều :

I C dòng Colecto, I B dòng Bazo

Với Tranzito đã chế tạo thường sẽ là hệ số xác định, vì vậy có thể điều chỉnh I C bằng cách thay đổi I B

Với dòng xoay chiều :

Núi chung b@ b

Về quan hệ điện áp giữa B và C là điện áp thuận với một biến đổi nhỏ của điện áp cho ta một biến đổi lớn của dòng I B và thông qua Tranzito lại có được sự biến đổi lớn của dòng I C

Biến đổi lớn ở dong I C dẫn tới sự sụt áp lớn 2 đầu điện trở R C hay sự biến đổi lớn điện

áp Colecto Vc

Nói khác đi, một biến đổi nhỏ về điện áp ở Bazo đã gây ra được một biến đổi lớn về điện áp ở Colecto và Tranzito đã đóng vai trò khuyếch đại điện áp từ khuyếch đại dòng điện, đã chuyển thành khuyếch đại điện áp

Khi Tranzito thông bão hoà : ta gọi các giá trị của CE :

• V CEBn điện áp thông bão hoà của Colecto

• I CBh dòng điện thông bão hoà ở Colecto

• I BBh dòng điện thông bão hoà ở Bazo

Như vậy từ mạch điện ta có thể tính được :

Khi thông bão hoà V CEBh rất nhỏ và :

Như vậy điều kiện để Tranzito thông bão hoà là :

Với Tranzito Si thì sau khi thông bão hoà ta có :

V BE =0,7 V, V CE = 0,3 V

2. Điều kiện ngắt mạch :

điều kiện ngắt mach của Tranzito là : V BB < V 0 = 0,5 V

V 0 là vùng chết của Tranzito Khi Tranzito ngắt mạch thỡ T B ằ 0

anzito và I C ằ 0 Khi đú: E Cằ V CE

3. Thời gian chuyển mạch của Tranzito : để chuyển đổi trạng thái từ đống

sang mở hay ngược lại đòi hỏi phải có một khoảng thời gian nhất định, thời gian này được gọi là thời gian chuyển mạch của Tranzito

Ta gọi : Thời gian chuyển đổi từ ngắt sang thông là : T OB

Thời gian thông bão hoà ngắt là T BO

Có thể minh hoạ sự biến đổi trạng thái qua quá trình sau đây :

Quá trình mở:

Khi đầu vào có xung điện áp biến đổi từ -V B1 =-0.1 V đến V B2 Sự biến đổi của dòng I C

không lập lại tức thời như sự biến đổi của điện áp được mà phải sau một thời gian trễ gọi là thời gian mở của t on của Tranzito gồm hai thành phần:

T d :thời gian khi bắt đầu có xung VB1 đến khi dòng I C đạt được giá trị ICmax , đó là thời gian chuyển trạng thái

T R : Thời gian dũng I C tăng dần từ 0,1ữ 0,9 I Cmax là thời gian cần thiết để tăng trưởng cho đến khi được xem là Tranzito mở hoàn toàn Vậy: T on = t d + t r

Quá trình đóng của Tranzito:

Thời gian để dòng I C từ giá trị I Cmax trở về 0 được gọi là thời gian tắt:t off Nó gồm hai phần:

T S : là thời gian để dòng I C biến đổi từ I Cmax về giá trị=0.9I Cmax , thời gian này kéo dài

do sự trì trệ tồn trữ các hạt mang điện tích ở lớp tiếp xúc

T R : là thời gian suy giảm nhanh của dòng I C Từ giá trị 0.9I Cmax về giá trị 0.1I Cmax

trong quá trình giảm dần của dòng I C này, Tranzito cũng đóng dần cho đến khi ngắt hẳn, và ta có: T off =t s +t r

Nói chung thời gian đóng- mở của Tranzito là rất ngắn:t on và t off đều có giá trị cỡ nS; (10 -9 S)

Mặt khác:t off >t on và t s > t r

Như vậy, phần quyết định quan trọng trong thời gian đóng mở t off của Tranzito chính

là t s

CỦA TRANZITO:

Trong quá trình sử dụng, người ta quan tâm nhiều đến một số tham số cơ bản của Trazito đó là:

Hệ số khuyếch đại dòng một chiều:

Hệ số khuyếch đại tín hiệu (xoay chiều); β có giá trị từ hàng chục đến hàng trăm:

• Hệ số truyền đạt của Tranzito:

Điện áp phân cực đặt lên Tranzito được bố trí như hình vẽ:

Với loại n.p.n: thì các điện áp phân cực là: UBE>0, UCE<0 còn p.n.p thì ngược lại: UBE<0, UCE>0

Một cách gần đúng ta có thể viết: IE=IB + IC

Có thể đánh giá mức độ hao hụt dòng khuyếch tán trong vùng Bazo Người

ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của Tranzito như sau:

Hệ số a để xác định chất lượng của Tranzito, Nếu a có giá trị càng gần 1 thì Tranzito càng tốt

Từ các biểu thức trên ta thấy được:

Các tham số giới hạn cần quan tâm :

mà có chiều hướn giảm Người ta lấy giá trị dòng IC ứng với b=2/3b danh định

để làm giá trị ICmax cho phép của Tranzito

Tranzito công suất lớn: ICmax @ A

-Điện áp đánh thủng:

Với các lớp tiếp xúc Emito cà Colecto khi đặt điện áp ngược lên nó đều có giá trị mà ở đó sẽ xảy ra hiện tượng dòng tăng vọt Ta nói Tranzito đánh thủng Vì

vậy với Tranzito người ta quan tâm đến điện áp đánh thủng VEBO và đẻ việc sử dụng được an toàn

Các sơ đồ mắc Tranzito cơ bản :

Tranzito có 3 cực Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong 3 cực làm vào

và cực còn lại cùng với 1 trong 2 cực đầu vào làm đầu ra

Vì vậy người ta chỉ sư dụng Tranzito trong 3 cách mắc cơ bản sau: Chung Emito, chung Bazo, chung Colecto

E chung Bchung C chung