Tài liệu Malvino-EP-02- Bán dẫn pptx

Chương 2
Chương

2
Bán dẫn
Bán

dẫn
Từ Vựng (1)
Từ

Vựng

(1)
•
ambient temperature=nhiệt độ xung quanh
ambient

temperature=nhiệt

độ

xung

quanh
• avalanche effect=hiệu ứng đánh thủng
bi ttil àthế
•
b
arr
i

er po
t
en
ti
a
l
= r
à
o
thế
• breakdown voltage=điện áp đánh thủng
• conduction band= dãy dẫn
•
depletion layer
=
miền nghèo (hạtdẫntự
depletion

layer miền

nghèo

(hạt

dẫn

tự

do)
•

diode
•
diode
• Doping = pha tạp chất
Từ Vựng (2)
Từ

Vựng

(2)
•
forward bias
=
phân cựcthuận
forward

bias

phân

cực

thuận
• free electron = điện tử tự do
•
Hole = lỗ (trống)
•
Hole

=

lỗ

(trống)
• junction diode = diode tiếp xúc
jtit t hiệt độ tiế ú
•
j
unc
ti
on
t
empera
t
ure = n
hiệt

độ

tiế
p x
ú
c
• majority carriers = các hạt dẫn đa số
ẫ ể ố
• minority carriers = các hạt d
ẫ
n thi
ể
u s

ố
• n-type semiconductor = bán dẫn loại N
Từ Vựng (3)
Từ

Vựng

(3)
•
p
-
type semiconductor
=
bán dẫnloạiP
p
type

semiconductor

bán

dẫn

loại

P
• pn junction = tiếp xúc PN
•
Recombination = tái hợp
•

Recombination

=

tái

hợp
• reverse bias = phân cực ngược
Si dt bádẫ
•
S
em
i
con
d
uc
t
or =
bá
n
dẫ
n
• Silicon
ề
• surface-leakage current = dòng rò b
ề
mặt
• thermal energy = nhiệt năng
Nội dung chương 2
Nội

dung

chương

2
2-1 Vật dẫn điện
ẫ
2-2 Bán d
ẫ
n
2-3 Tinh thể Silic
2-4 Bán dẫn nội tại (bán dẫn thuần)
2-5 Hai loại dòng (hạt dẫn)
2-6 Pha tạp chất vào bán dẫn
2-7 Hai loại bán dẫn n
g
oại lai
(
có
p
ha tạ
p
chất
)
g (p p )
2-8 Diode chưa phân cực
2-9 Phân cực thuận
2-10 Phân c
ự

c n
g
ư
ợ
c
ự g ợ
2-11 Đánh thủng
2-12 Các mức năng lượng
2-1
3

Đồ
i n
ă
n
g
l
ượ
n
g
3
ồ ă g ượ g
2-14 Rào thế và nhiệt độ
2-15 Diode phân cực ngược
2
-
1Vậtdẫn điện
2
1

Vật

dẫn

điện
•
Các
vậtdẫn điện
tốtnhấtlàbạc đồng và
Các

vật

dẫn

điện
tốt

nhất

là

bạc
,
đồng

và

vàng.
•

Quỹ đạo ổn định
•
Quỹ

đạo

ổn

định
• Điện tử hóa trị: điện tử ở lớp ngoài cùng
têtử
t
rong nguy
ê
n
tử
• Điện tử tự do dễ dàng sinh ra trong vật
dẫn điện
Đồng
Đồng
2
-
2Bándẫn
2
2

Bán

dẫn
•

Bán dẫncótínhchất điệngiữachấtdẫn
Bán

dẫn

có

tính

chất

điện

giữa

chất

dẫn

điện và chất cách điện.
•
Các bán dẫntốtnhấtcó4điệntử hóa trị
•
Các

bán

dẫn

tốt

nhất

có

4

điện

tử

hóa

trị
• TD: Silicon, Germanium là bán dẫn, cả hai
đề ó4điệ tử hó t ị
đề
u c
ó

4

điệ
n
tử

hó
a
t
r

ị
Nguyên tử Silicon
Nguyên

tử

Silicon
2
-
3Tinhthể Silicon
2
3

Tinh

thể

Silicon
•
Khi các nguyên tử Si kếthợplại để tạo thành
Khi

các

nguyên

tử

Si

kết

hợp

lại

để

tạo

thành

chất rắn, chúng tự sắp xếp thành một khuôn
mẫu trật tự được gọi là tinh thể (crystal).
•Mỗi nguyên tử Si góp chung mỗi điện tử hóa trị
của nó với nguyên tử Si kế cận để tạo thành 8
điện tử hóa trị.
• Liên kết chung giữa 2 nguyên tử được gọi là
liê kế đồ hó ị
(lbd)
liê
n
kế
t
đồ
ng
hó
a tr
ị
(

cova
l
ent
b
on
d)
• Bão hòa hóa trị là 8
Liên kết đồng hóa trị
Liên

kết

đồng

hóa

trị
Sinh và tái hợpcặp điệntử
-
lỗ
Sinh

và

tái

hợp

cặp

điện

tử
lỗ
Figure 2
5(a)Nhiệtnăng tạo điệntử và lỗ;
Figure

2
-
5
.
(a)

Nhiệt

năng

tạo

điện

tử

và

lỗ;
(b) Tái hợp điện tử tự do và lỗ
Bên trong tinh thể Si
Bên

trong

tinh

thể

Si
•
Mộtsố điệntử tự do và lỗ đượctạobởi
Một

số

điện

tử

tự

do

và

lỗ

được

tạo

bởi

nhiệt năng
•
Các điệntử tự do và lỗ khác đang tái hợp
•
Các

điện

tử

tự

do

và

lỗ

khác

đang

tái

hợp
•Sự tái hợp thay đổi từ vài ns đến nhiều µs
•Một số điện tử tự do và lỗ tồn tại tam thời,
đang đợi tái hợp.

• Thời gian sống là hiệu số thời gian tính
từ lúc có sinh ra và tái h
ợp
đi
ệ
n tử t
ự
do
ợp ệ ự
2
-
4Bándẫnnộitại
2
4

Bán

dẫn

nội

tại
•
Bán dẫnnộitại là bán dẫnthuần(được
Bán

dẫn

nội

tại

là

bán

dẫn

thuần

(được

tạo nên bởi 1 loại nguyên tử)
•
Tinh thể Si hoạt động như chấtcáchđiện
Tinh

thể

Si

hoạt

động

như

chất

cách

điện

ở nhiệt độ phòng vì chỉ có một ít điện tử tự
do và lỗ được tạo ra từ nhiệt năn
g
g
•n=nồng độ điện tử tự do (số điện tử/đvtt)
•
p
=
nồng độ lỗ (số lỗ/đvtt)
pnồng

độ

lỗ

(số

lỗ/đvtt)
•Với bán dẫn thuần n = p = n
i
(nồng độ hạt
dẫnnộitại, phụ thuộc nhiệt độ)
dẫn

nội

tại,

phụ

thuộc

nhiệt

độ)
Dòng điệntử tự do và dòng lỗ
Dòng

điện

tử

tự

do

và

dòng

lỗ
2
-
5Hailoại dòng (điện)
2
5

Hai

loại

dòng

(điện)
•
Có 2 loại dòng: điệntử tự do và lỗ
Có

2

loại

dòng:

điện

tử

tự

do

và

lỗ
.
• Điện tử tự do và lỗ chuyển động ngược

chiều nhau khi có tác động của điện
chiều

nhau

khi

có

tác

động

của

điện

trường bên ngoài.
2
-
6Phatạpchất vào bán dẫn
2
6

Pha

tạp

chất

vào

bán

dẫn
•
Tăng độ dẫn điệncủa bán dẫnbằng pha
Tăng

độ

dẫn

điện

của

bán

dẫn

bằng

pha

tạp chất (doping) vào bán dẫn thuần
•
Bán dẫn có pha tạpchất đượcgọi là bán
Bán

dẫn

có

pha

tạp

chất

được

gọi

là

bán

dẫn ngoại lai (hay bán dẫn có pha tạp
chất
)
)
• Pha tạp chất donor (có 5 điện tử hóa trị)
để tăn
g
điện tử tự do
(
n >
p)
: bán dẫn N

g (p)
• Pha tạp chất acceptor (có 3 điện tử hóa
trị
)
để tăn
g
lỗ
(
n<
p)
: bán dẫn P
) g (p)
2
-
7Hailoại bán dẫn ngoạilai
2
7

Hai

loại

bán

dẫn

ngoại

lai
Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P

Hạtdẫn đasố và hạtdẫnthiểusố
Hạt

dẫn

đa

số

và

hạt

dẫn

thiểu

số
Bán dẫnloạiN
Bán dẫnloạiP
Bán

dẫn

loại

N
Bán

dẫn

loại

P
ẫ ố
ỗ
Hạt d
ẫ
n đa s
ố
Điện tử
(n > p)
L
ỗ
(p > n)
Hạt dẫn thiểu số LỗĐiện tử
*
Ở điềukiệncănbằng nhiệt, mọi bán dẫn đềuthỏa:

Ở

điều

kiện

căn

bằng

nhiệt,

mọi

bán

dẫn

đều

thỏa:
np = n
i
2
2
-
8 Diode chưa phân cực
2
8

Diode

chưa

phân

cực
•
TiếpxúcPN
Tiếp

xúc

PN
•Gọi V
N
là thế bên N và V
P
là thế bên P
TétV
V
•
T
a x
ét

V
P
-
V
N
=
 0 : chưa phân cực
 > 0 : phân cực thuận
 < 0 : phân cực ngược
 Sự hình thành miền nghèo (xem H.2-13)
The PN JunctionThe PN Junction
Steady StateSteady State
11
NaNa NdNd
Metallurgical Metallurgical

JunctionJunction
PP


+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + +
PP
nn



+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + +
Space Charge Space Charge
RegionRegion
ionized ionized
acceptorsacceptors
ionized ionized
donorsdonors
EE FieldField
++++
__ __
Kristin Ackerson, Virginia Tech EEKristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002Spring 2002
h+ drifth+ drift h+ diffusionh+ diffusion ee diffusiondiffusion ee driftdrift====
The PN JunctionThe PN Junction
Steady StateSteady State
MetallurgicalMetallurgical
PP

nn



+ + + + ++ + + + +
+ + + + ++ + + + +
+ + + + + + + + + +
NaNa NdNd
Metallurgical

Metallurgical

JunctionJunction
When no external source When no external source
is connected to the pn is connected to the pn
junction, diffusion andjunction, diffusion and

+ + + + ++ + + + +
Space Charge Space Charge
RegionRegion
ionized ionized
acceptorsacceptors
ionized ionized
donorsdonors
EE FieldField
junction,

diffusion

and

junction,

diffusion

and

drift balance each other drift balance each other
out for both the holes out for both the holes
and electronsand electrons
++++
__ __
h+ drifth+ drift h+ diffusionh+ diffusion ee diffusiondiffusion
ee driftdrift
==
==
====
Space Charge Region:Space Charge Region:
Also called the depletion region This region includesAlso called the depletion region This region includes
Space

Charge

Region:Space

Charge

Region:
Also

called

the

depletion

region
.
This

region

includes

Also

called

the

depletion

region
.
This

region

includes

the net positively and negatively charged regions. The space charge region the net positively and negatively charged regions. The space charge region
does not have any free carriers. The width of the space charge region is does not have any free carriers. The width of the space charge region is
denoted by W in pn junction formula’s.denoted by W in pn junction formula’s.
Metallurgical Junction:Metallurgical Junction: The interface where the pThe interface where the p and nand n type materials meet.type materials meet.
Na & Nd:Na & Nd:
Represent the amount of negative and positive doping in number ofRepresent the amount of negative and positive doping in number of
Kristin Ackerson, Virginia Tech EEKristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002Spring 2002
Na

&

Nd:Na

&

Nd:
Represent

the

amount

of

negative

and

positive

doping

in

number

of

Represent

the

amount

of

negative

and

positive

doping

in

number

of

carriers per centimeter cubed. Usually in the range of 10carriers per centimeter cubed. Usually in the range of 10
1515
to 10to 10
2020

2-9 Phân cực thuận
2
10 Phâ
2
-
10

Phâ
n cực ngược
The Biased PN JunctionThe Biased PN Junction
MetalMetal
++
__
Metal

Metal

ContactContact
“Ohmic “Ohmic
Contact”Contact”
(
Rs~0
)(
Rs~0

)
PPnn
Applied Applied
Electric FieldElectric Field
()()
II
++
__
VV
appliedapplied
The pn junction is considered biased when an external voltage is applied. The pn junction is considered biased when an external voltage is applied.
Kristin Ackerson, Virginia Tech EEKristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002Spring 2002
There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias. There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias.
These are described on then next slide.These are described on then next slide.
The Biased PN JunctionThe Biased PN Junction
Forward Bias:Forward Bias:
In forward bias the depletion region shrinks slightly in In forward bias the depletion region shrinks slightly in
width. With this shrinking the energy required for width. With this shrinking the energy required for
charge carriers to cross the depletion region decreases charge carriers to cross the depletion region decreases
ti ll Th f th li d ltti ll Th f th li d lt
VV
appliedapplied
>0>0
exponen
ti
a
ll
y.
Th

ere
f
ore, as
th
e app
li
e
d
vo
lt
age exponen
ti
a
ll
y.
Th
ere
f
ore, as
th
e app
li
e
d
vo
lt
age
increases, current starts to flow across the junction. increases, current starts to flow across the junction.
The barrier potential of the diode is the voltage at which The barrier potential of the diode is the voltage at which
appreciable current starts to flow through the diodeappreciable current starts to flow through the diode

VV
appliedapplied
>

0>

0
appreciable

current

starts

to

flow

through

the

diode
.
appreciable

current

starts

to

flow

through

the

diode
.
The barrier potential varies for different materials.The barrier potential varies for different materials.
Reverse Bias:Reverse Bias:
Under reverse bias the depletion region widens. ThisUnder reverse bias the depletion region widens. This
Reverse

Bias:Reverse

Bias:
Under

reverse

bias

the

depletion

region

widens.

This

Under

reverse

bias

the

depletion

region

widens.

This

causes the electric field produced by the ions to cancel causes the electric field produced by the ions to cancel
out the applied reverse bias voltage. A small leakage out the applied reverse bias voltage. A small leakage
current
,
Is
(
saturation current
)
flows under reverse bias current
,
Is

(
saturation current
)
flows under reverse bias
VV
appliedapplied
< 0< 0
,( ),( )
conditions. This saturation current is made up of conditions. This saturation current is made up of
electronelectron hole pairs being produced in the depletion hole pairs being produced in the depletion
region. Saturation current is sometimes referred to as region. Saturation current is sometimes referred to as
Kristin Ackerson, Virginia Tech EEKristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002Spring 2002
scale current because of it’s relationship to junction scale current because of it’s relationship to junction
temperature.temperature.