Xem mẫu
- Chng 1
GI I THI U V BÁN D N Ví du vê nguyên t bán d n Silicon (Si)
Nguyên t bán d n Si, có 4 electron l p ngoài cùng.
1.1 V t li u bán d n
- D a trên tính d n i n, v t li u bán d n không ph i là v t li u cách i n
H t nhân
mà cũng không ph i là v t li u d n i n t t.
- i v i v t li u d n i n, l p v ngoài cùng c a nguyên t có r t ít các m t n a liên
electron, nó có khuynh hư ng gi i phóng các electron này t o thành k t hóa tr
electron t do và t n tr ng thái b n v ng.
liên k t
- V t li u cách i n l i có khuynh hư ng gi l i các electron l p ngoài hóa tr
cùng c a nó có tr ng thái b n v ng.
- V t li u bán d n, có khuynh hư ng t n tr ng thái b n v ng t m
th i b ng cách l p y l p con c a l p v ngoài cùng. Liên k t hóa tr
trong tinh thê
- Các ch t bán d n i n hình như Germanium (Ge), Silicium (Si),.. là bán d n Si
nh ng nguyên tô thu c nhóm 4 n m trong b ng hê th ng tu n hoàn.
1.2 Dòng i n trong ch t bán d n 1.2 Dòng i n trong ch t bán d n
- Trong v t li u d n i n có r t nhi u electron t do. Gi n ô năng l ng
- Khi i u ki n môi trư ng, n u ư c h p thu m t năng lư ng nhi t các
electron này s ư c gi i phóng kh i nguyên t . Gi n vùng năng lư ng
c a m t s v t li u.
- Khi các electron này chuy n ng có hư ng s sinh ra dòng i n.
- i v i v t li u bán d n, các electron t do cũng ư c sinh ra m t cách
tương tư.
- Tuy nhiên, năng lư ng c n gi i phóng các electron này l n hơn i
v i v t li u d n i n vì chúng b ràng bu c b i các liên k t hóa tr .
- Năng lư ng này ph i l n phá v liên k t hóa tr gi a các nguyên
t .
conduction band: vùng d n. Vùng d n là vùng năng lư ng c a các electron t do.
forbidden band: vùng c m. Vùng mà không có electron nào mang năng lư ng.
valence band: vùng hóa tr . Vùng hóa tr là vùng c a các electron n m trong l p v ngoài cùng.
1
- Nh n xét 1.2.1 Lô tr ng và dòng lô tr ng
- S electron t do trong v t li u ph thu c r t nhi u vào nhi t và do ó - V t li u bán d n t n t i m t
d n i n c a v t li u cũng v y. d ng h t d n khác ngoài electron
t do.
- Nhi t càng cao thì năng lư ng c a các electron càng l n.
- M t electron t do xu t hi n thì
- V t li u bán d n có h s nhi t i n tr âm. ng th i nó cũng sinh ra m t l
tr ng (hole).
- V t li u d n i n có h s nhi t i n tr dương. -L tr ng ư c qui ư c là h t d n
mang i n tích dương.
-Dòng di chuy n có hư ng c a lô
tr ng ư c g i là dòng l tr ng
trong bán d n.
-Khi l tr ng di chuy n t ph i
sang trái cũng ng nghĩa v i
vi c các electron l p v ngoài
cùng di chuy n t trái sang ph i.
1.2.1 Lô tr ng và dòng lô tr ng 1.2.2 Dòng trôi
- Có th phân tích dòng i n trong bán d n thành hai dòng electron. - Khi m t hi u i n th ư c t lên hai u bán d n, i n trư ng s làm
cho các electron t do di chuy n ngư c chi u i n trư ng và các l tr ng
- ti n l i ta thư ng xem như dòng i n trong bán d n là do dòng di chuy n cùng chi u i n trư ng.
electron và dòng l tr ng gây ra.
- C hai s di chuy n này gây ra trong bán d n m t dòng i n có chi u
- Ta thư ng g i electron t do và l tr ng là h t d n vì chúng có kh năng cùng chi u i n trư ng ư c g i là dòng trôi (drift current).
chuy n ng có hư ng sinh ra dòng i n.
- Dòng trôi ph thu c nhi u vào kh năng di chuy n c a h t d n trong bán
- Khi m t electron t do và l tr ng k t h p l i v i nhau trong vùng hóa tr , d n, kh năng di chuy n ư c ánh giá b ng linh ng c a h t d n.
các h t d n b m t i, và ta g i quá trình này là quá trình tái h p h t d n. linh ng này ph thu c vào lo i h t d n cũng như lo i v t li u.
- Vi c phá v m t liên k t hóa tr s t o ra m t electron t do và m t l
tr ng, do ó s lư ng l tr ng s luôn b ng s lư ng electron t do. Bán Silicon Germanium
d n này ư c g i là bán d n thu n hay bán d n n i t i (intrinsic).
µ n = 0.14 m 2 ( Vs ) µn = 0.38 m 2 ( Vs )
- Ta có: ni = pi
µ p = 0.05 m2 ( Vs ) µ p = 0.18 m2 ( Vs )
ni: m t ô electron (electron/cm3)
pi: m t ô lô tr ng (lô tr ng/cm3)
2
- 1.2.2 Dòng trôi Ví du 1-1
M t hi u i n th ư c t lên hai u c a m t thanh bán d n thu n
- V n t c c a h t d n trong i n trư ng E: trong hình ve. Gi s : ni = 1.5 × 1010 là electron/cm3
Tìm: µ n = 0 .1 4 m 2 ( V s ) ; µ p = 0.05 m 2 ( Vs )
v n = E.µ n
1. V n t c electron t do và l tr ng;
v p = E.µp 2. M t dòng electron t do và l tr ng;
3. M t dòng t ng c ng;
-M t dòng i n J: 4. Dòng t ng c ng trong thanh bán d n.
J = J n + J p = nqn µ n E + pq p µ p E = nqn vn + pq p v p
V i: Jm t dòng i n, (A/m2) , E cư ng ô i n trư ng(V/m)
n, p m t electron t do và l tr ng, (h t d n/m3)
qn , q p = ơn v i n tích electron = 1.6 × 10
−19
C
µn , µ p = linh ng c a electron t do và l tr ng (m2/Vs)
vn , v p = v n t c electron t do và l tr ng, (m/s)
Hư ng d n M t sô lu ý
1. Ta có:
- i n tr có th ư c tính b ng cách dùng công th c:
E = U / d = 2.103 V / m
v n = E.µn = 2.8 x 10 m / s 2
l
v p = E.µp = 10 2 m / s
R=ρ
S
2. Vì v t li u là thu n nên: - i n d n, ơn v siemens (S), ư c nh nghĩa là ngh ch o c a i n
tr , và i n d n su t, ơn v S/m, là ngh ch o c a i n tr su t:
pi = ni = 1.5×1010( / cm 3 ) = 1.5 ×1010 / 10 −6 (/ m 3 )
J n = ni .qn .vn = 0.672 A / m 2 1
σ=
J p = pi .q p .v p = 0.24 A / m 2 ρ
3. J = Jn + Jp = 0.672 + 0.24 = 0.912 A / m2 - i n d n su t c a v t li u bán d n có th ư c tính theo công th c:
4. Ti t di n ngang c a thanh là : ( 20 × 10 −3
m )( 20 × 10 −3
m ) = 4 × 10 −4
m 2
σ = nqn µ n + pq p µ p
Dòng i n:
I = J.S = (0.912 A / m2 ).( 4 x 10 −4 m2 ) = 0.365 mA
3
- Ví du 1-2 1.2.3 Dòng khu ch tán
1. Tính i n d n su t và i n tr su t c a thanh bán d n trong ví d 1-1.
- N u như trong bán d n có s chênh l ch m t h t d n thì các h t d n
2. Dùng k t qu c a câu 1 tìm dòng trong thanh bán d n khi i n áp s có khuynh hư ng di chuy n t nơi có m t h t d n cao n nơi có
trên hai u c a thanh là . m t h t d n th p hơn nh m cân b ng m t h t d n.
H ng d n
- Quá trình di chuy n này sinh ra m t dòng i n bên trong bán d n. Dòng
1. Vì bán d n thu n nên: i n này ư c g i là dòng khu ch tán (diffusion current).
n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /cm3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C
- Dòng khu ch tán có tính ch t quá (th i gian t n t i ng n) tr khi s
σ = n qn µ n + p qp µ p chênh l ch m t ư c duy trì trong bán d n.
σ = 4 . 56 x 10 − 4 S / m
1
ρ= = 2192 . 98 Ω m
σ
2. l
R = ρ = 32 . 98 K Ω
S
U
I= = 0 . 365 mA
R
1.2.3 Dòng khu ch tán 1.3 Bán d n lo i P và bán d n lo i N
Bán d n thu n (Bán d n lo i i):
M t i nt t do b ng v i m t l tr ng:
ni=pi
ni: m t i n t t do (electron/cm3)
pi: m t l tr ng (l tr ng/cm3)
i nt t do có i n tích là: –q
L tr ng có i n tích là: +q
i n t t do và l tr ng là h t d n t o ra dòng i n
khi chuy n ng có hư ng.
4
- Cách th c t o ra bán d n lo i N Tính ch t c a bán d n lo i N
Khi toàn b các nguyên t t p ch t ư c ion hóa:
nd=Nd
C u trúc tinh th nd: n ng i n t t do ư c cung c p b i t p ch t donor
bán d n ch a m t
Nd: n ng t p ch t donor
nguyên t donor.
H t nhân c a nn=Nd+pn
donor ký hi u là D.
nn: t ng n ng i n t t do trong bán d n lo i N
pn: n ng l tr ng trong bán d n lo i N
nn>>pn nn≈Nd
Bán d n lo i N=Bán d n thu n+T p ch t nhóm 5 nn.pn=ni2
ni: m t i n t trong bán d n thu n
Ví d : Si+phosphore, Ge+Asenic
T p ch t này cung c p i n t t p ch t cho (t p ch t donor) Nh n xét: trong bán d n lo i N thì h t d n a s là i n t ,
h t d n thi u s là l tr ng.
Cách th c t o ra bán d n lo i P Tính ch t c a bán d n lo i P
Khi toàn b các nguyên t t p ch t ư c ion hóa:
pa=Na
C u trúc tinh th
bán d n có ch a pa: n ng l tr ng ư c cung c p b i t p ch t acceptor
m t nguyên t
acceptor. Na: n ng t p ch t acceptor
Nguyên t pp=Na+np
acceptor c
ký hi u là A. pp: t ng n ng l tr ng trong bán d n lo i P
np: n ng i n t t do trong bán d n lo i P
pp>>np pp≈Na
Bán d n lo i P=Bán d n thu n+T p ch t nhóm 3
np.pp=ni2
Ví d : Si+Bore, Ge+Indium
ni: m t i n t trong bán d n thu n
T p ch t này nh n i n t t p ch t nh n (t p ch t acceptor)
Nh n xét: trong bán d n lo i P thì h t d n a s là l tr ng,
h t d n thi u s là i n t .
5
- Nh n xét Ví du 1-3
electron trong bán d n thu n là 1.4 × 10
16
- Trong bán d n lo i N, electron t do là h t d n a s (ho c M t thanh silicon có m t
h t d n ch y u), l tr ng là h t d n thi u s (ho c h t d n electron/m3 b kích thích b i các nguyên t t p ch t cho n khi m t l
tr ng là 8.5 × 10
21
l tr ng/m3. linh ng c a electron và l tr ng là
th y u).
2
( )
µn = 0.14 m Vs và µ p = 0.05 m ( Vs ) .2
- Trong bán d n lo i P, l tr ng là h t d n a s (ho c h t 1. Tìm m t electron trong bán d n ã pha t p ch t.
d n ch y u), electron t do là h t d n thi u s (ho c h t 2. Bán d n là lo i N hay lo i P?
d n th y u). 3. Tìm d n i n c a bán d n pha t p ch t.
Hư ng d n
- Trong h u h t các bán d n trong th c t thì:
ni2 (1.4 × 10 )
2
1. 16
n= = = 2.3 × 1010 electron/m 3
np = n i
2
p 8.5 × 10 21
2. Vì p > n nên v t li u là lo i P.
V i: n: m t ô electron
p: m t ô lô tr ng
3. σ = nµnqn + pµ pqp
ni: m t ô electron trong bán d n thu n. = ( 2.3×1010 ) ( 0.14) (1.6 ×10−19 ) + (8.5×1021 ) ( 0.05) (1.6 ×10−19 )
= 5.152 ×10−10 + 68 ≈ 68 S/m
1.4 Chuy n ti p PN 1.4 Chuy n ti p PN
h h h - + e e e
A A A D D D
h h h
- +
e e e
A A A - + D D D
h h h e e
- + e
A A A D D D
- +
Bán d n lo i P Bán d n lo i N
6
- 1.4 Chuy n ti p PN 1.4 Chuy n ti p PN
- Hi u i n th t n t i hai bên chuy n ti p ư c g i là hi u i n th
hàng rào (barrier).
kT N a N d
Vtx = V0 = Vγ = ln
q ni2
-V i:
k: h ng sô Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K
T: nhi t ô tuy t iK
q: ơn v i n tích = 1.6 x 10-19 C
Na: n ng ô t p ch t acceptor trong bán d n lo i P
Nd: n ng ô t p ch t donor trong bán d n lo i N
ni: m t ô h t d n trong bán d n thu n.
- th hi n s ph thu c c a hi u i n th vào nhi t , ngư i ta ưa
ra khái ni m i n th nhi t:
kT N N
VT = ⇒ Vtx = V0 = Vγ = VT ln a 2 d
n
q i
Ví du 1-4 1.5 Phân c c chuy n ti p PN
M t chuy n ti p PN ư c t o nên t bán d n lo i P có 1022 acceptor/m3 và
bán d n lo i N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm i n th nhi t và i n th hàng
rào t i 25°C. Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3.
Hư ng d n
kT
Áp d ng: VT =
q
v i: T = 25 + 273 = 298°K
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10 -19C
VT = 25.7 mV
i n thê hàng rào:
N .N
V0 = VT . ln a 2 d
n
i
V0= 0.635 V
7
- 1.5 Phân c c chuy n ti p PN c tuy n Volt-Ampe
V
Quan h dòng – áp trong chuy n ti p PN
d i phân c c thu n và phân c c ng c.
1.6 ánh th ng chuy n ti p PN 1.6 ánh th ng chuy n ti p PN
Có 2 nguyên nhân gây ra ánh th ng: nhi t và i n.
- ánh th ng vê nhi t x y ra do sư tích lũy nhi t trong vùng nghèo h t d n.
(Dòng IS tăng g p ôi khi nhi t ô tăng 10°C)
- ánh th ng vê i n ư c phân làm 2 lo i: ánh th ng thác lu
(avalanching) và ánh th ng xuyên h m (tunnel)
- Biên c a dòng ngư c khi V≈VBR (breakdown voltage) có th ư c
tính b ng bi u th c sau:
IS
I= n
V
V
1−
BR Quan h c a diode cho
th y s gia tăng t ng t
v i n là h ng s ư c xác nh t th c nghi m. c a dòng khi áp g n n
i n áp ánh th ng.
8
- 1.7 nh hư ng c a nhi t n phân c c Ví du 1-5
M t diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA 20°C . Tìm dòng i n qua
nó khi ư c phân c c thu n 0,55V. Tìm dòng trong diode khi nhi t
tăng lên n 100 °C.
Hư ng d n
T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V
V > 0.5V ⇒ m = 1 (diode silicon) ⇒ I = 0.283 mA
T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V
Khi nhi t thay i t 20°C n 100°C, dòng Is ư c nhân ôi 8 l n,
do ó Is t i 100oC l n g p 256 l n Is t i 20oC:
I = 256 ×10 −13 ( e0.55 0.03217 − 1) = 0.681 mA
S gia tăng c a nhi t
làm cho c tuy n
d ch sang trái.
9
nguon tai.lieu . vn