Chuong1

C
Tên môn hc : KY THUAT ðIEN T
Phân phôi giơ : 42 tiêt
Sô tín ch : 2 – Kiem tra: 20% Thi: 80% (trac nghiem)
GV phu* trách : Lê Thi Kim Anh
Email : ltkanh@hcmut.edu.vn
Tài lieu tham kh

o :
-Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits
2nd Ed. , Macmillan 1991
- Millman Taub - Pulse digital and switching waveforms
McGraw-Hill
- Savant, Rodent, Carpenter - Electronic Design – Circuits and Systems
- Lê Phi Yên, Nguyen Như Anh, Lưu Phu,
- Ky3 thuat ñien tư8
NXB Khoa hc ky thuat

Chương 1
1.1 Vat lieu bán dan
Bài ging môn Ky thuat ðien t
GV: Lê Th Kim Anh
2
GII THIEU VÊ BÁN DAN
- D?a trên tính dan ñien, vat lieu bán dan không
phGi là vat lieu cách ñien mà cũng không phGi là vat
lieu dan ñien tôt.
- ðôi vLi vat lieu dan ñien, lLp vM ngoài cùng cOa
nguyên tP có rât ít các electron, nó có khuynh hưLng
giGi phóng các electron này ñe tTo thành electron t?
do và ñTt ñên trTng thái bên vWng.

- Vat lieu cách ñien lTi có khuynh hưLng giW lTi các
electron lLp ngoài cùng cOa nó ñe có trTng thái bên
vWng.
- Vat lieu bán dan, nó có khuynh hưLng ñTt ñên
trTng thái bên vWng t3m th4i bang cách lâp ñây lLp
con cOa lLp vM ngoài cùng.
- Các chât bán dan ñien hình như Gecmanium
(Ge), Silicium (Si),.. Là nhWng nguyên tô] thuoc
nhóm 4 nam trong bGng hê thông tuân hoàn.
GV: Lê Th Kim Anh
3

GV: Lê Th Kim Anh
4
Ví du7 vê8 nguyên tư9 bán dan Silicon (Si)
Nguyên tP bán dan Si, có 4 electron ` lLp ngoài cùng.
Ht nhân
mot na liên
kêt hóa tr
liên kêt
hóa tr
Liên kêt hóa tr=
trong tinh thê9
bán dan Si

1.2 Dòng ñien trong bán dan
- Trong vat lieu dan ñien có rât nhiêu electron t? do.
- Khi ` ñiêu kien môi trưcng, nêu ñưdc hâp thu mot
năng lưdng nhiet các electron này se ñưdc giGi
phóng khMi nguyên tư8.
- Khi các electron này chuyen ñong có hưLng se sinh
ra dòng ñien.
- ðôi vLi vat lieu bán dan, các electron t? do cũng
ñưdc sinh ra mot cách tương tư.
GV: Lê Th Kim Anh
5

- Tuy nhiên, năng lưdng cân ñe giGi phóng các electron
này lLn hơn ñôi vLi vat lieu dan ñien vì chúng bi ràng
buoc b`i các liên kêt hóa tri.
Gi

n ñô8 năng lưAng
- ðơn vi năng lưdng qui ưLc trong các giGn ñô này là
electronvolt (eV).
- Mot electron khi muôn tr` thành mot electron t? do
phGi hâp thu ñO mot lưdng năng lưdng xác ñinh.
GV: Lê Th Kim Anh
6

- Năng lưdng này phm thuoc vào dTng nguyên tP và
lLp mà electron này ñang chiêm.
- Năng lưdng này phGi ñO lLn ñe phá vn liên kêt hóa
tri giWa các nguyên tP.
- Thuyêt lưdng tP cho phép ta nhìn mô hình nguyên
tP d?a trên năng lưdng cOa nó, thưcng ñưdc bieu
dien dưLi dTng giGn ñô năng lưdng.
GV: Lê Th Kim Anh
7

- Các electron cũng có the di chuyen tq lLp bên trong
ñên lLp bên ngoài trong nguyên tP bang cách nhan
thêm mot lưdng năng lưdng bang vLi chênh lech
năng lưdng giWa hai lLp.
- Ngưdc lTi, các electron cũng có the mât năng lưdng
và tr` lTi vLi các lLp có mrc năng lưdng thâp hơn.
- Các electron t? do cũng vay, chúng có the giGi
phóng năng lưdng và tr` lTi lLp vM ngoài cùng cOa
nguyên tP.
GV: Lê Th Kim Anh
8

- Khi nhìn trên mot nguyên tP, các electron trong
nguyên tP se ñưdc sap xêp vào các mrc năng lưdng
rci rTc nhau tùy thuoc vào lLp và lLp con mà electron
này chiêm. Các mrc năng lưdng này giông nhau cho
mti nguyên tP.
- Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn bo vat lieu, moi
nguyên tP còn chiu Gnh hư`ng tq các tác ñong khác
nhau bên ngoài nguyên tP. Do ñó, mrc năng lưdng
cOa các electron trong cùng lLp và lLp con có the
không còn bang nhau giWa các nguyên tP.
GV: Lê Th Kim Anh
9

GV: Lê Th Kim Anh
10
Gi

n ñô vùng năng lưAng cDa mot sô vat lieu.

GV: Lê Th Kim Anh
11
Nhan xét
- Sô electron t? do trong vat lieu phm thuoc rât nhiêu
vào nhiet ño và do ñó ño dan ñien cOa vat lieu cũng
vay.
- Nhiet ño càng cao thì năng lưdng cOa các electron
càng lLn.
- Vat lieu bán dan có he sô nhiet ñien tr` âm.
- Vat lieu dan ñien có he sô nhiet ñien tr` dương.

GV: Lê Th Kim Anh
12
1.2.1 LôL trông va8 dòng lôL trông
- Vat lieu bán dan tôn tTi
mot dTng hTt dan khác
ngoài electron t? do.
- Mot electron t? do xuât
hien thì ñông thci nó cũng
sinh ra mot lo trông
(hole).
-Lo trông ñưdc qui ưLc là
hTt dan mang ñien tích
dương.

- Dòng di chuyen có hưLng cOa lô3 trông ñưdc gti là
dòng lo trông trong bán dan.
- Khi lo trông di chuyen tq phGi sang trái cũng ñông
nghĩa vLi viec các electron lLp vM ngoài cùng di
chuyen tq trái sang phGi.
- Có the phân tích dòng ñien trong bán dan thành hai
dòng electron: dòng electron tư do vax dòng electron `
lLp vo8 ngoài cùng.
- Nhưng ñe tien ldi ngưci ta thưcng xem như dòng
ñien trong bán dan là do dòng electron và dòng lo
trông gây ra.
GV: Lê Th Kim Anh
13

- Ta thưcng gti electron t? do và lo trông là hTt dan
vì chúng có khG năng chuyen ñong có hưLng ñe sinh
ra dòng ñien.
- Khi mot electron t? do và lo trông kêt hdp lTi vLi
nhau trong vùng hóa tri, các hTt dan bi mât ñi, và ta
gti quá trình này là quá trình tái hAp h3t dan.
- Viec phá vn mot liên kêt hóa tri se tTo ra mot
electron t? do và mot lo trông, do ñó sô lưdng lo
trông se luôn bang sô lưdng electron t? do. Bán dan
này ñưdc gti là bán dan thuân hay bán dan noi tTi
(intrinsic).
GV: Lê Th Kim Anh
14

GV: Lê Th Kim Anh
15
- Ta có:
ni = pi
ni: mat ñô eletron (electron/cm3)
pi: mat ñô lô3 trông (lô3 trông/cm3)

1.2.2 Dòng trôi
- Khi mot hieu ñien thê ñưdc ñat lên hai ñâu bán
dan, ñien trưcng se làm cho các electron t? do di
chuyen ngưdc chiêu ñien trưcng và các lo trông di
chuyen cùng chiêu ñien trưcng.
- CG hai s? di chuyen này gây ra trong bán dan mot
dòng ñien có chiêu cùng chiêu ñien trưcng ñưdc gti
là dòng trôi (drift current).
GV: Lê Th Kim Anh
16

Silicon Germanium
GV: Lê Th Kim Anh
17
- Dòng trôi phm thuoc nhiêu vào khG năng di
chuyen cOa hTt dan trong bán dan, khG năng di
chuyen ñưdc ñánh giá bang ño linh ñong cOa hTt
dan. ðo linh ñong này phm thuoc vào loTi hTt dan
cũng như loTi vat lieu.
μn=0.38 (m2/V.s)
μp=0.18 (m2/V.s)
μn=0.14 (m2/V.s)
μp=0.05 (m2/V.s)

= μ
v E.
n n
v = E.
μ
GV: Lê Th Kim Anh
18
- Van tôc cOa hTt dan trong ñien trưcng E:
p p

= +
J J J
n p
= μ + μ
nq E pq E
n n p p
= +
nq v pq v
n n p p
GV: Lê Th Kim Anh
19
- Mat ño dòng ñien J:
VLi:
J: mat ño dòng ñien (A/m2) ; E cưcng ñô ñien trưcng(V/m)
n, p: mat ño electron t? do và lo trông, (hTt dan/m3)
qn, qp: ñơn vi ñien tích electron = 1.6 x 10-19 C
μn, μp: ño linh ñong cOa electron t? do và lo trông (m2/Vs)
vn, vp: van tôc electron t? do và lo trông, (m/s)

Ví du7 1-1
Mot hieu ñien thê ñưdc ñat lên hai ñâu cOa mot
thanh bán dan thuân trong hình ve3.
GiG sP: ni=1.5x1010 electron/cm3; μn= 0.14m2/Vs
GV: Lê Th Kim Anh
20
μp=0.05m2/Vs
Tìm:
1. Van tôc electron t? do và lo trông;
2. Mat ño dòng electron t? do và lo trông;
3. Mat ño dòng tong cong;
4. Dòng tong cong trong thanh bán dan.

GV: Lê Th Kim Anh
21

= =
E U/ d 2.10 V /m
= μ =
v E. 2.8x10 m/ s
2
= = = −
p n 1.5 x10 ( / cm ) 1.5 x10 / 10 (/m )
= =
J n .q .v 0.672 A/m
= =
GV: Lê Th Kim Anh
22
HưLng dan
1. Ta có:
2. Vì vat lieu là thuân nên:
Dòng ñien:
v E. 10 m/ s
p p
2
n n
3
= μ =
2
p i p p
2
n i n n
10 3 10 6 3
i i
J p .q .v 0.24 A/m
3. J J J 0.672 0.24 0.912 A/m2 n p = + = + =
4. Tiêt dien ngang cOa thanh là :
(20.10-3m) (20.10-3m)= 4.10-4 m2.
I = J.S = (0.912 A/m2 ).(4x10−4 m2 ) = 0.365mA

Mot sô, lưu ý
- ðien tr` có the ñưdc tính bang cách dùng công thrc:
l
- ðien dan, ñơn vi siemens (S), ñưdc ñinh nghĩa là
nghich ñGo cOa ñien tr`; và ñien dan suât, ñơn vi S/m,
là nghich ñGo cOa ñien tr` suât:
- ðien dan suât cOa vat lieu bán dan có the ñưdc tính
theo công thrc:
GV: Lê Th Kim Anh
23
S
R= ρ
ρ
σ =
1
n n p p σ = nq μ + pq μ

GV: Lê Th Kim Anh
24
Ví du7 1-2
1. Tính ñien dan suât và ñien tr` suât cOa thanh bán
dan trong ví dm 1-1.
2. Dùng kêt quG cOa câu 1 ñe tìm dòng trong thanh
bán dan khi ñien áp trên hai ñâu cOa thanh là 12V.

HưQng dan
1. Vì bán dan thuân nên:
n = p = ni = pi = 1.5 x 1016 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C
σ = μ + μ = −
n q p q 4.56 x10 4 S /m
n n p p
=
σ
= ρ =
GV: Lê Th Kim Anh
25
2.
2192.98 m
1
ρ =
0.365 mA
R
U
= =
R
I
32 .98 K
l
S

1.3.3 Dòng khuêch tán
- Nêu như trong bán dan có s? chênh lech mat ño hTt
dan thì các hTt dan se có khuynh hưLng di chuyen tq
nơi có mat ño hTt dan cao ñên nơi có mat ño hTt dan
thâp hơn nham cân bang mat ño hTt dan.
- Quá trình di chuyen này sinh ra mot dòng ñien bên
trong bán dan. Dòng ñien này ñưdc gti là dòng
khuêch tán (diffusion current).
GV: Lê Th Kim Anh
26

- Dòng khuêch tán có tính chât quá ño (thci gian tôn
tTi ngan) trq khi s? chênh lech mat ño ñưdc duy trì
trong bán dan.
GV: Lê Th Kim Anh
27
1.3 Bán dan loTi P vax bán dan loTi N
- Trong bán dan thuân hay còn gti là bán dan noi tTi
(intrinsic semiconductor) có mat ño electron t? do
bang vLi mat ño lo trông.

- Trong th?c tê], ngưci ta se tTo ra vat lieu bán dan
trong ñó mat ño electron lLn hơn mat ño lo trông
hoac vat lieu bán dan có mat ño lo trông lLn hơn mat
ño electron t? do.
- Các vat lieu bán dan này ñưdc gti là bán dan có pha
tTp chât.
- Bán dan mà electron t? do chi phôi ñưdc gti là bán
dan loTi N, và ngưdc lTi, bán dan trong ñó lo trông chi
phôi chO yêu ñưdc gti là bán dan loTi P.
GV: Lê Th Kim Anh
28

- Ngưci ta ñat vào bên trong bán dan thuân mot
nguyên tư8 tTp chât có 5 ñien tư8 ` lLp ngoài cùng.
- Nó se dùng 4 ñien tư8 ñê8 tTo liên kêt hóa tri thông
thưcng, vì vay ñien tư8 còn lTi se có liên kêt rât yêu ñôi
vLi hTt nhân nguyên tư8 vax dê3 dàng trơ8 thành ñien tư8
tư do.
- Khi ñưa vào mot lưdng lLn tTp chât vào thix sô] lưdng
electron tư do se càng nhiêu vax bán dan ñưdc gti là
bán dan loTi N.
GV: Lê Th Kim Anh
29
Cách thSc t3o ra bán dan lo3i N
- Nguyên tP tTp chât lúc này ñưdc gti là nguyên tP tTp
chât cho (donor). Các vat lieu ñưdc sP dmng như tTp
chât cho donor thông thưcng là antimony, arsenic,
phosphorus.

GV: Lê Th Kim Anh
30
Câu trúc tinh the bán dan chSa mot nguyên tW donor.
H3t nhân cDa donor ký hieu là D.

- Bán dan loTi P cũng ñưdc tTo ra bang cách ñưa vào
bán dan thuân mot tTp chât có 3 ñien tư8 ` lLp ngoài
cùng.
- Vì vay, trong câu trúc tinh thê8 bán dan xGy ra sư
thiêu electron vax không ñu8 ñê8 tTo liên kêt hóa tri, do
ño] se xuât hien lô3 trông bên trong bán dan. Càng có
nhiêu tTp chât thix se có nhiêu lô3 trông, chính là bán
dan loTi P.
GV: Lê Th Kim Anh
31
Cách thSc t3o ra bán dan lo3i P
- Nguyên tP tTp chât ñưdc gti là tTp chât nhan
(acceptor).
- Vat lieu thưcng ñưdc dùng làm tTp chât trong
trưcng hdp này là aluminum, boron, gallium, indium.

GV: Lê Th Kim Anh
32
Câu trúc tinh the bán dan có chSa mot nguyên tW acceptor.

Nhan xét
- Trong vat lieu bán dan loTi N, mac dù sô lưdng
electron t? do nhiêu hơn han so vLi lo trông nhưng
lo trông van tôn tTi trong bán dan.
- Lưdng tTp chât donor càng lLn, mat ño electron t?
do càng cao và càng chiêm ưu thê so vLi lưdng lo
trông.
- Do ñó, trong bán dan loTi N, electron t? do ñưdc
gti là h3t dan ña sô (hoac hTt dan chO yêu), lo trông
ñưdc gti là h3t dan thieu sô (hoac hTt dan thr yêu).
GV: Lê Th Kim Anh
33

- Mot môi quan he quan trtng giWa mat ño electron
và mat ño lo trông trong hâu hêt các bán dan trong
th?c tê là:
2
np = ni
GV: Lê Th Kim Anh
34
VLi: n: mat ñô electron
p: mat ñô lô3 trông
ni: mat ñô electron trong bán dan thuân.

Ví du7 1-3
Mot thanh silicon có mat ño electron trong bán dan
thuân là 1.4x1016 electron/m3 bi kích thích b`i các
nguyên tP tTp chât cho ñên khi mat ño lo trông là
8.5x1021 lo trông/m3. ðo linh ñong cOa electron và lo
trông là μn=0.14m2/Vs và μp=0.05m2/Vs.
1. Tìm mat ño electron trong bán dan ñã pha tTp
chât.
2. Bán dan là loTi N hay loTi P?
3. Tìm ño dan ñien cOa bán dan pha tTp chât.
GV: Lê Th Kim Anh
35

( ) 10 3
2 2
i 1.4x10
16 2.3x10 electron/m
n
n = = =
σ = μ + μ
nq pq n n p p
=
GV: Lê Th Kim Anh
36
HưQng dan
1.
2. Vì p n nên vat lieu là loTi P.
3.
68 S / m
21
8.5x10
p

h h h
A A A
h h h
A A A
h h h
A A A
e e e
D D D
e e e
D D D
e e e
D D D
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
GV: Lê Th Kim Anh
37
1.4 Chuyen tiêp PN
Bán dan loTi P Bán dan loTi N
- Do s? chênh lech vê mat ño hTt dan ⇒ dòng khuêch
tán xuât hien.
- Viec tap trung ñien tích trái dâu ` hai bên chuyen tiêp
làm xuât hien mot ñien trưcng ñưdc gti là ñien trưcng
tiêp xúc.

- ðien trưcng này gây ra
mot dòng ñien trôi cùng
chiêu vLi nó, ngưdc chiêu
vLi dòng khuêch tán còn
gti là dòng ngưdc.
- Œ trTng thái cân bang, dòng khuêch tán bang vLi
dòng trôi.
- Nói cách khác, dòng tong ñi qua tiêp xúc PN lúc này
bang không.
GV: Lê Th Kim Anh
38

- Hieu ñien thê tôn tTi ` hai bên chuyen tiêp ñưdc gti là
hieu ñien thê hàng rào (barrier).

 


N N
kT
= = γ 2
A D
i
ln
q
V V
0 n
GV: Lê Th Kim Anh
39

 


-VLi:
k: hang sô] Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K
T: nhiet ñô tuyet ñôi K
q: ñơn vi ñien tích = 1.6 x 10-19 C
NA: nông ñô tTp chât aceptor trong bán dan loTi P
ND: nông ñô tTp chât donor trong bán dan loTi N
ni: mat ñô hTt dan trong bán dan thuân.

kT

V V V ln
GV: Lê Th Kim Anh
40
- ðe the hien s? phm thuoc cOa hieu ñien thê vào
nhiet ño, ngưci ta ñưa ra khái niem ñien thê nhiet:
q
vT =

 


 


N N
⇒ = = γ 2
A D
i
0 T n

GV: Lê Th Kim Anh
41
Ví du7 1-4
Mot chuyen tiêp PN ñưdc tTo nên tq bán dan
loTi P có 1022 acceptor/m3 và bán dan loTi N
có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm ñien thê nhiet và
ñien thê hàng rào tTi 25°C. Cho ni = 1.5 x 10
16 electron/m3.

kT
N .N

ðien thê] hàng rào:

A D
0 T  
= V V . ln 2
GV: Lê Th Kim Anh
42
HưLng dan
Áp dmng:
vLi: T = 25 + 273 = 298°K
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10 -19C
VT = 25.7 mV
0.635V
n
i


 


=
q
VT =

1.5 Phân c?c chuyen tiêp PN
- Chuyen tiêp PN có the ñưdc phân c?c bang cách
dùng mot nguôn ñien áp ñat lên hai ñâu cOa chuyen
tiêp.
GV: Lê Th Kim Anh
43
Nguôn áp phân cZc thuan chuyen tiêp PN.

GV: Lê Th Kim Anh
44
- Khi chuyen tiêp PN ñưdc phân c?c thuan:
+ ðien thê hàng rào giGm xuông →vùng nghèo
hp.
+ ðien trơ8 nho8 → dòng ñien lLn vax tăng nhanh
theo ñien áp.
- Ngưdc lTi khi chuyen tiêp PN ñưdc phân c?c
ngưdc.

Bieu thSc dòng ñien qua chuyen tiêp PN (bieu thSc
diode)
=  η −I I e VT 1
GV: Lê Th Kim Anh
45
Trong ño]:

I : dòng qua chuyen tiêp (A)
V: ñien áp phân c?c (V).
IS (I0): dòng ngưdc bGo hòa (A)
η: hê sô] phát (là hàm cOa V, phu thuoc vào vat
lieu; 1≤≤≤≤ηηηη≤≤≤≤2)
VT: ñien thê] nhiet (V)




v
s

ðac tuyên Volt-Ampe
GV: Lê Th Kim Anh
V
46
Quan he dòng – áp trong chuyen tiêp PN
dưQi phân cZc thuan và phân cZc ngưAc.

- ðánh thOng vêx nhiet xGy ra do sư tích lũy nhiet
trong vùng nghèo hTt dan.
(Dòng IS tăng gâp ñôi khi nhiet ñô7 tăng 10°C)
GV: Lê Th Kim Anh
47
1.6 ðánh thOng chuyen tiêp PN
Có 2 nguyên nhân gây ra ñánh thOng: nhiet vax ñien.
- ðánh thOng vêx ñien ñưdc phân làm 2 loTi: ñánh
thDng thác luL (avalanching) vax ñánh thDng xuyên hâm
(tunnel)

- ðánh thDng thác luL xGy ra trong các chuyen tiêp P-N
có bêx dày lLn, ñien trưcng trong vùng nghèo có tri sô]
kha] lLn. ðien trưcng này gia tôc cho các hTt dan, gây
ra hien tưdng ion hóa va chTm làm sGn sinh nhWng
ñôi ñien tP-lô3 trông. Các hTt dan vqa sinh ra này lTi
tiêp tmc ñưdc gia tôc vax ion hóa các nguyên tư8 khác
làm sô] lưdng hTt dan tăng cao, do ño] dòng ñien se
tăng vtt.
GV: Lê Th Kim Anh
48

- ðánh thDng xuyên hâm xGy ra ` nhWng vùng nghèo
tương ñôi hp, trc là chuyen tiêp cOa nhWng bán dan
có nông ñô Na, Nd rât lLn. ðien trưcng trong vùng
nghèo rât lLn, có kha8 năng gây ra hieu rng “xuyên
hâm”, trc là ñien tư8 trong vùng hóa tri cOa bán dan P
có kha8 năng chui qua hàng rào thê] ñê8 chTy sang vùng
dan cOa bán dan N, làm cho dòng ñien tăng vtt.
GV: Lê Th Kim Anh
49

- Biên ño cOa dòng ngưdc khi V xâp x“ VBR
(breakdown voltage) có the ñưdc tính bang bieu thrc
sau:
V
BR
S
I
V
1

−
 


GV: Lê Th Kim Anh
50

 


VQi n là hang sô
n
I
=
ñưAc xác ñ=nh te thZc nghiem.

Chuong1

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Ähnlich wie Chuong1

Ähnlich wie Chuong1 (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Chuong1