Bai Giang Cau Tao Ban Dan

Trường Đại học Thủy lợiBộ môn Điện kỹ thuật

Bài giảng kỹ thuật điện tử

GV: Phạm Đức Đại

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com


Các dụng cụ bán dẫn

1. Cơ cấu của sự dẫn điện2. Bán dẫn thuần3. KN: Là chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm

giữa chất dẫn điện và chất cách điện.4. - Chất bán dẫn dùng nhiều nhất trong thực tế,

được tạo bởi các nguyên tố là Ge và Si, thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn ( có bốn điện tửở lớp ngoài cùng).




Ge và Si ở cột 5 của bảng tuần hoàn




Si

• Cấu trúc nguyên tử Si• 10 electrons ở lõi (liên kết chặt

chẽ)• 4 electrons hóa trị




Tinh thể Si




Liên kết hóa trị




Đặc điểm

• Tại 0K:• Tất cả các liên kết đều được thiêt lập!

Tất cả các điện tử hóa trị đều tham gia vào liên kết.

• Không có điện tử tự do




Năng lượng nhiệt

Một số liên kết bị bẻ gãy xuất hiện• Các điện tử tự do ”free” electrons (Mang

điện tích âm −1.6×10−19 C)• Các lỗ trống ”free” holes (mang điện tích

dương, 1.6 × 10−19 C)• Điện tử tự do và lỗ trống được gọi là các

hạt ”Free” electrons and holes are called carriers:







Chất bán dẫn

GeGe

Ge

Ge

Ge

Các điện tử ngoài cùng của các nguyên tử ghép đôi, tạo nên liên kết đồng hóa trị




Lỗ trống và điện tử

• Khi nhiệt độ tăng( tùy từng loại chất bán dẫn), các nguyên tử dao động mạnh đến mức một sốmối liên kết có thể ngẫu nhiên bị phá vỡ, các điện tử được giải phóng, điện tử bứt ra khỏi liên kết để lại một lỗ trống.

• Dưới tác động của điện trường, các điện tửchuyển động định hướng, lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử liên kết lân cận, điện tử lấp lỗ lại tạo ra một lỗ trống mới.




Tính dẫn điện của chất bán dẫn

Trong chất bán dẫn, khi đặt điện áp ngoài vào cóhai dòng chuyển động là

• Dòng chuyển động của các điện tử• Dòng chuyển động của các lỗ trống, dòng này

ngược chiều với dòng các điện tử.• Số lượng điện tử và lỗ trống là bằng nhau• Dòng điện trong chất bán dẫn là tổng dòng điện

điện tử và lỗ trống •

wk Tp i n i A .e




Bán dẫn loại N,P

Bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất vào một chất bán dẫn, chúng ta có thể điều khiển được số lượng lỗ trống và điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện trong chất bán dẫn.




Bán dẫn loại N• Thêm vào bán dẫn Ge( hóa trị

4) với tạp chất As( hóa trị 5), chúng ta sẽ có 4 liên kết hóa học( liên kết cộng hóa trị), đểlại điện tử thứ 5 liên kết yếu với nguyên tử As, dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử tạo thành điện tử tự do.

• Ở nhiệt độ bình thường nồng độ điện tử lớn hơn nồng độ lỗtrống

• số lượng tạp chất nhỏ 1 / 108




Dòng điện trong chất bán dẫn N

• Dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào các electrons

( Negative charged) – Gọi là bán dẫn loại NCreate PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)



Bán dẫn loại P

• Nếu thêm vào Ge với nguyên tử tạp chấtBoron- B( hóa trị 3), cómột liên kết thiếu 1 điện tử để tạo thành liên kế đồng hóa trị, chỗ thiếu điện tử, được gọi là 1 lỗtrống.

• B – gọi là tạp chất cho







Dòng điện trong chất bán dẫn P




Tiếp giáp P-N




Tiếp giáp P-N• Khi hai loại chất

bán dẫn được ghép với nhau, một qúa trình khuyếch tán lỗtrống và điện tử được thực hiện. Lỗtrống di chuyển từphía P sang phía N, điện tử di chuyển từ phía N sang P




Tiếp giáp P-NUtiếp xúc




Tiếp giáp P-N

• Điện trường được tạo bởi hai lớp ion trái dấu, có chiều từ phía N P, điện trường này tạo nên dòng điện trôi qua tiếp giáp( dòng điện gây ra bởi các hạt thiểu số)

• Dòng điện trôi của điện tử từ n sang p

• Dòng điện khuyếch tán của điện tử

kTn p 0I C.e I

kTp n 0I C.e I




Mô phỏng hoạt động của tiếp giáp P-N




Phân cực thuận tiếp giáp P-N

• Cự dương của nguồn đặt vào bán dẫn P, cực âm của nguồn đặt vao bán dẫn N

Utiếp xúc

Unguồn




Phân cực thuận'T X T X n gU U U

- UTX’ : giảm, làm tăng chuyển động khuyếch tán IKT tăng lên, đồng thời dòng điện trôi giảm đến giá trị nhỏ không đáng kể( so với dòng điện khuyếch tán)




Phân cực ngược tiếp giáp P-N

- Cực dương của nguồn nối vào phía N, cực âm nối vào phía P

Utiếp xúc

Unguồn




Phân cực ngược tiếp giáp P-N'T X T X n gU U U

UTX’ tăng

• Cản trở dòng điện khuyếch tán Ikt =0

• Khuyến khích chuyển động của dòng điện trôi( dòng điện gây ra bởi các hạt thiểu số), dòng điện nay ban đầu tăng sau đó tăng đến giá trị bão hòa không đổi I0 nhỏ




Đặc tuyến V-A tiếp giáp P-N

• Dòng điện trong hai trường hợp trên được mô tả qua công thức sau.

Trong đó:

• V : điện áp ngoài đặt vào

• I0 : Dòng điện ngược bão hòa

• : Hệ số




Đặc tuyến V-A của tiếp giáp P-NVùng thuận:

- U > 0 dòng điện qua tiếp giáp tăng khi U tăng, điện trở lớp tiếp giáp giảm

Vùng ngược:

- Ban đầu dòng điện trôi tăng khi U tăng( vềphía âm), sau đó đạt đến giá trị bão hòa I0 không đổi




Đặc tuyến V-A của tiếp giáp P-N




Câu hỏi

• Chất bán dẫn P, N• Nguyên lý hoạt động của tiếp giáp P-N• Đặc điểm tiếp giáp P-N• Có mấy loại dòng điện qua tiếp giáp P-N,

chiều của chúng?• Điện trường qua tiếp giáp P-N có chiều

như thế nào, ảnh hưởng của nó đến dòng điện khuyếch tán và trôi như thế nào?




Diode bán dẫn

1. Cấu tạo và ký hiệu: Phần căn bản là tiếp giáp P-N




Pictures of Diode in practice




Đặc tuyến V-A của Điode









1. Vùng phân cực thuận Khi đặt điện áp Uak >0, với giá trị Uak < Umở thì

dòng điện tăng chậm, khi Uak >Umở thì dòng điện tăng nhanh do điện trở lớp tiếp giáp lúc này giảm nhỏ và dòng điện trong mạch phụthuộc vào điện trở của bán dẫn, đặc tuyến códạng đường thẳng.




Forward Voltage Drop• Forward Voltage Drop:Electricity uses up a

little energy pushing its way through the diode, rather like a person pushing through a door with a spring. This means that there is a small voltage across a conducting diode, it is called the forward voltage drop and is about 0.7V for all normal diodes which are made from silicon. The forward voltage drop of a diode is almost constant whatever the current passing through the diode so they have a very steep characteristic (current-voltage graph).




Đặc tuyến V-A của điode2. Vùng phân cực ngược- Với Ungược <0 nhỏ dòng điện ngược( dòng

trôi) tăng, tăng Ungược dòng điện sẽ tăng đến giá trị bão hóa I0=const.

- Giá trị Ungược chỉ được phép tăng đến giátrị cho phép = 80% Uđánh thủng

- Uđánh thủng : là điện áp tại đó dòng điện ngược tăng đột ngột dẫn đến phá hỏng tính chất cách điện của tiếp giáp điốt.




Nguyên nhân đánh thủng

- Etiếo giáp lớn, các hạt mang điện thiểu sốcó năng lượng lớn va chạm với các điện tử hóa trị, tạo ra cặp lỗ trống, điện tử mới, những hạt này lại va chạm với các điện tửhóa trị mới. Quá trình tiếp diễn dẫn đến số lượng hạt tăng ồ ạt, dòng điện trôi tăng mạnh.

- Điện áp ngược với điode bán dẫn điển hình làm việc bình thường khoảng 30V




Reverse Voltage• Reverse Voltage: When a reverse voltage is

applied a perfect diode does not conduct, but all real diodes leak a very tiny current of a few µA or less. This can be ignored in most circuits because it will be very much smaller than the current flowing in the forward direction. However, all diodes have a maximum reverse voltage (usually 50V or more) and if this is exceeded the diode will fail and pass a large current in the reverse direction, this is called breakdown.




Thông số

• Điện trở một chiều




Transistor

1. Khái niệm




Key questions

• How do semiconductors conduct electricity?

• What is a ”hole”?• How many electrons and holes are there

in a semiconductor in thermal equilibrium at a certain temperature?

• How can one engineer the conductivity of semiconductors?




Mức năng lượng trong vật rắn

• Vùng ngoài cùng ở đó các điện tử( electrons) có đủ năng lượng để thắng được lực hút từ nhân( gồm protons vàneutrons) chứa các điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện. Những điện tử tự do đó có trong một chất dẫn điện, và vùng đógọi là vùng dẫn. Vùng bên trong chứa các electrons liên kết chặt chẽ với nguyên tử, gọi là vùng hóa trị




Điện tửtự do

Vùng dẫn trốngNăng lượng

Vùng hóa trị

Chất bán dẫn thuần ở 0K

Vùng dẫnNăng lượng

Chất dẫn điện




Công thức

e e e e e eAVI N Av e N A Ee N eL

• Ne: số lượng electrons trên một đơn vị

• A diện tích bề mặt của chất dẫn

• e: điện tích của một electron

• ve: tốc độ chuyển động (m/s)

• E từ trường đặt vào

• µe : ( m2/V) :




Ví dụ• Dòng điện do lỗ trống và điện tử trong

chất bán dẫn thuần.

• Ví dụ Ge: nI=2 x 1019 , ue =0.36; uh=0.17

( ) ( )I e h I e hI n e v v A n e AE

9 192 10 1.6 10 0.53 3.2 0.53

1 0.63.2 0.53

AV AVI x x x x xL L

VR mI x




Vùng dẫn Năng lượng

Vùng hóa trị

Biểu đồ năng lượng Bán dẫn loại N




Biểu đồ năng lượng bán dẫn loại P

Vùng dẫn Năng lượng

Vùng hóa trị




Documents

Bai Giang Cau Tao Ban Dan