ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Lý thuyết bán dẫn Bùi Minh Thành Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - ĐHBK Tp HCM Nội dung Cấu trúc nguyên tử Vật liệu bán dẫn Các dòng điện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chuyển tiếp PN Phân cực cho chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Tài liệu tham khảo [1] Theodore F.Bogart, JR, Electronic devices and Circuits,2nd Ed , Macmillan 1991 [2] Lê Phi Yến, Nguyễn Như Anh, Lưu Phú, Kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Allan R Hambley, Electrical Engineering: Principles and Applications, Prentice Hall,4 edition (2007) [4] Slide giảng môn Kỹ thuật điện tử cô Lê Thị Kim Anh Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Nội dung Cấu trúc nguyên tử Vật liệu bán dẫn Các dòng điện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chuyển tiếp PN Phân cực cho chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Cấu trúc nguyên tử • Mỗi nguyên tử bao gồm hạt nhân trung tâm chứa điện tích dương mà ta gọi proton Hạt nhân bao xung quanh electron mang điện tích âm • Số lượng electron với số lượng proton hạt nhân điện tích proton electron nên nguyên tử trung hòa điện Các electron xếp vào ba quĩ đạo xung quanh hạt nhân Ta nói electron chiếm lớp vỏ nguyên tử Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Cấu trúc nguyên tử • Nếu đánh số thứ tự bốn lớp vỏ lớp (lớp gần hạt nhân có số thứ tự 1) số electron tối đa Ne mà lớp vỏ n chứa là: Ne = 2n2 • Mỗi lớp vỏ nguyên tử lại chia thành lớp Lớp vỏ thứ n chứa n lớp • Lớp lớp vỏ chứa electron, lớp chứa nhiều lớp trước electron • Các lớp ký hiệu s, p, d, f Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Cấu trúc nguyên tử VD: Hạt nhân nguyên tử germanium có 32 proton Xác định số electron lớp lớp Bộ mơn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Cấu trúc nguyên tử Khi hấp thu đủ lượng (ví dụ từ nhiệt), electron thoát khỏi nguyên tử trở thành electron tự Chất dẫn điện có nhiều electron tự chất cách điện có electron tự Số electron lớp vỏ ngồi có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện vật liệu Vật liệu dẫn điện có electron lớp vỏ ngồi cùng, cần lượng nhỏ giải phóng chúng trở thành electron tự Đối với vật liệu cách điện, lớp vỏ thường liên kết chặt với hạt nhân, chúng có electron tự Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Nội dung Cấu trúc nguyên tử Vật liệu bán dẫn Các dòng điện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chuyển tiếp PN Phân cực cho chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Vật liệu bán dẫn - Dựa tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện mà vật liệu dẫn điện tốt - Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngồi ngun tử có electron, có khuynh hướng giải phóng electron để tạo thành electron tự đạt đến trạng thái bền vững - Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại electron lớp ngồi để có trạng thái bền vững - Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời cách lấp đầy lớp lớp vỏ - Nguyên tử bán dẫn thực điều cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngồi với bốn electron bốn nguyên tử lân cận - Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là nguyên tố thuộc nhóm nằm bảng hệ thống tuần hồn Bộ mơn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK 10 Ví dụ 1-3 Một silicon có mật độ electron bán dẫn 1.4 10 electron/m3 bị kích thích nguyên tử tạp chất mật độ lỗ 21 trống 8.5 10 lỗ trống/m3 Độ linh động electron lỗ trống 16 n  0.14 m2  Vs   p  0.05 m  Vs  Tìm mật độ electron bán dẫn pha tạp chất Bán dẫn loại N hay loại P? Tìm độ dẫn điện bán dẫn pha tạp chất Hướng dẫn 1.4 10   n n   2.3 1010 electron/m3 21 p 8.5 10 i 16 2 Vì p > n nên vật liệu loại P   nn qn  p p q p   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 Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Nội dung Cấu trúc nguyên tử Vật liệu bán dẫn Các dòng điện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chuyển tiếp PN Phân cực cho chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK 32 Chuyển tiếp PN h h A h h A h A h h A h A A A h A A Bán dẫn loại P Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK - + - + - + - + - + e D e D e D D e D e D e e D e D Bán dẫn loại N e D Chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Chuyển tiếp PN - Hiệu điện tồn hai bên chuyển tiếp gọi hiệu điện hàng rào (barrier) -Với:  N A ND  kT V0  V  ln   q  ni  k: số Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K T: nhiệt độ tuyệt đối K q: đơn vị điện tích = 1.6 x 10-19 C NA: nồng độ tạp chất aceptor bán dẫn loại P ND: nồng độ tạp chất donor bán dẫn loại N ni: mật độ hạt dẫn bán dẫn - Để thể phụ thuộc hiệu điện vào nhiệt độ, người ta đưa khái niệm điện nhiệt: kT vT  q Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK  NAND   V0  V  VT ln   ni  36 Ví dụ 1-4 Một chuyển tiếp PN tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022 acceptor/m3 bán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3 Tìm điện nhiệt điện hàng rào 25C Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3 Hướng dẫn Áp dụng: với: kT VT  q T = 25 + 273 = 298K k = 1.38 x 10-23 q = 1.6 x 10 -19C VT = 25.7 mV Điện thế hàng rào:  NA ND   V0  VT ln  ni  V0= 0.635 V Nội dung Cấu trúc nguyên tử Vật liệu bán dẫn Các dòng điện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chuyển tiếp PN Phân cực cho chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK 38 Phân cực chuyển tiếp PN - Chuyển tiếp PN phân cực cách dùng nguồn điện áp đặt lên hai đầu chuyển tiếp Nguồn áp phân cực thuận chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Phân cực chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Phân cực chuyển tiếp PN Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Đặc tuyến Volt-Ampe V Quan hệ dòng – áp chuyển tiếp PN phân cực thuận phân cực ngược Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK 6.2 Đánh thủng chuyển tiếp PN Có nguyên nhân gây đánh thủng: nhiệt điện - Đánh thủng nhiệt xảy tích lũy nhiệt vùng nghèo hạt dẫn (Dòng IS tăng gấp đối nhiệt độ tăng 10C) - Đánh thủng điện phân làm loại: đánh thủng thác lũ (avalanching) đánh thủng xuyên hầm (tunnel) - Biên độ dòng ngược V xấp xỉ VBR (breakdown voltage) tính biểu thức sau: I IS  V      VBR  n với n số xác định từ thực nghiệm Đánh thủng chuyển tiếp PN Quan hệ diode cho thấy gia tăng đột ngột dòng áp gần đến điện áp đánh thủng Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK Sự gia tăng nhiệt độ làm cho đặc tuyến dịch sang trái Ví dụ 1-5 Một diode silicon có dịng bão hịa 0.1 pA 20C Tìm dịng điện qua phân cực thuận 0,55V Tìm dịng diode nhiệt độ tăng lên đến 100 C Hướng dẫn Ở T = 20C  VT = 0.02527V V > 0.5V   =  I = 0.283 mA Ở T = 100C  VT = 0.03217V Khi nhiệt độ thay đổi từ 20C đến 100C, dòng nhân đơi lần, gia tăng 256 lần: I  256 1013  e0.55 0.03217  1  0.681 mA Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK