Bán dẫn

Chương 2
Bán dẫn

Từ Vựng (1)
•
ambient temperature=nhiệt độ xung quanh
•
avalanche effect=hiệu ứng đánh thủng
•
barrier potential = rào thế
•
breakdown voltage=điện áp đánh thủng
•
conduction band= dãy dẫn
•
depletion layer=miền nghèo (hạt dẫn tự
do)
•
diode
•
Doping = pha tạp chất

Từ Vựng (2)
•
forward bias = phân cực thuận
•
free electron = điện tử tự do
•
Hole = lỗ (trống)
•

junction diode = diode tiếp xúc
•
junction temperature = nhiệt độ tiếp xúc
•
majority carriers = các hạt dẫn đa số
•
minority carriers = các hạt dẫn thiểu số
•
n-type semiconductor = bán dẫn loại N

Từ Vựng (3)
•
p-type semiconductor = bán dẫn loại P
•
pn junction = tiếp xúc PN
•
Recombination = tái hợp
•
reverse bias = phân cực ngược
•
Semiconductor = bán dẫn
•
Silicon
•
surface-leakage current = dòng rò bề mặt
•
thermal energy = nhiệt năng

Nội dung chương 2
2-1 Vật dẫn điện

2-2 Bán dẫn
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 ngoại lai (có pha tạp chất)
2-8 Diode chưa phân cực
2-9 Phân cực thuận
2-10 Phân cực ngược
2-11 Đánh thủng
2-12 Các mức năng lượng
2-13 Đồi năng lượng
2-14 Rào thế và nhiệt độ
2-15 Diode phân cực ngược

2-1 Vật dẫn điện
•
Các vật dẫn điện tốt nhất là bạc, đồng và
vàng.
•
Quỹ đạo ổn định
•
Điện tử hóa trị: điện tử ở lớp ngoài cùng
trong nguyên tử
•
Điện tử tự do dễ dàng sinh ra trong vật
dẫn điện

Đồng

2-2 Bán dẫn
•
Bán dẫn có tính chất điện giữa chất dẫn
điện và chất cách điện.
•
Các bán dẫn tốt nhất có 4 điện tử hóa trị
•
TD: Silicon, Germanium là bán dẫn, cả hai
đều có 4 điện tử hóa trị

Nguyên tử Silicon

2-3 Tinh thể Silicon
•
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
liên kết đồng hóa trị (covalent bond)
•
Bão hòa hóa trị là 8

Liên kết đồng hóa trị

Sinh và tái hợp cặp điện tử-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
•
Một số điện tử tự do và lỗ được tạo bởi
nhiệt năng
•
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 hợp điện tử tự do

2-4 Bán dẫn nội tại
•
Bán dẫn nội tại là bán dẫn thuần (được
tạo nên bởi 1 loại nguyên tử)
•
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 năng
•
n=nồng độ điện tử tự do (số điện tử/đvtt)
•
p=nồng độ lỗ (số lỗ/đvtt)

•
Với bán dẫn thuần n = p = n
i
(nồng độ hạt
dẫn nội tại, phụ thuộc nhiệt độ)

Dòng điện tử tự do và dòng lỗ

2-5 Hai loại dòng (điện)
•
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
trường bên ngoài.

2-6 Pha tạp chất vào bán dẫn
•
Tăng độ dẫn điện của bán dẫn bằng pha
tạp chất (doping) vào bán dẫn thuần
•
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 tăng điện tử tự do (n > p): bán dẫn N
•
Pha tạp chất acceptor (có 3 điện tử hóa
trị) để tăng lỗ (n< p): bán dẫn P

2-7 Hai loại bán dẫn ngoại lai
Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P

Hạt dẫn đa số và hạt dẫn thiểu số
Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P
Hạt dẫn đa số Điện tử
(n > p)
Lỗ
(p > n)
Hạt dẫn thiểu số Lỗ Điện tử
* Ở điều kiện căn bằng nhiệt, mọi bán dẫn đều thỏa:
np = n
i
2

2-8 Diode chưa phân cực
•
Tiếp xúc PN
•
Gọi V
N
là thế bên N và V
P
là thế bên P
•
Ta xét 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 Junction
The PN Junction
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002
Spring 2002
Steady State
Steady State
1
1
P
P
n
n


- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -

- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
+ + + + +
+ + + + +
+
+
+ + + + +
+ + + + +
+
+
+ + + + +
+ + + + +
+
+
+ + + + +
+ + + + +
+
+
+ + + + +
+ + + + +
+
+
Na
Na
Nd
Nd

Metallurgical
Metallurgical
Junction
Junction
Space Charge
Space Charge
Region
Region
ionized
ionized
acceptors
acceptors
ionized
ionized
donors
donors
E-Field
E-Field
+
+
+
+
_
_
_
_
h+ drift
h+ drift
h+ diffusion
h+ diffusion

e- diffusion
e- diffusion
e- drift
e- drift
=
=
=
=

The PN Junction
The PN Junction
Steady State
Steady State
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002
Spring 2002
P
P
n
n


- - - - -
- - - - -


- - - - -
- - - - -

- - - - -
- - - - -


- - - - -
- - - - -


+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
Na
Na
Nd
Nd
Metallurgical
Metallurgical
Junction
Junction
Space Charge
Space Charge
Region
Region
ionized

ionized
acceptors
acceptors
ionized
ionized
donors
donors
E-Field
E-Field
+
+
+
+
_
_
_
_
h+ drift
h+ drift
h+ diffusion
h+ diffusion
e- diffusion
e- diffusion
e- drift
e- drift
=
=
=
=
=

=
=
=
When no external source
When no external source
is connected to the pn
is connected to the pn
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 electrons
and electrons
Space Charge Region:
Space Charge Region:


Also called the depletion region. This region
Also called the depletion region. This region
includes the net positively and negatively charged regions. The space
includes the net positively and negatively charged regions. The space
charge region does not have any free carriers. The width of the space
charge region does not have any free carriers. The width of the space
charge region is denoted by W in pn junction formula’s.
charge region is denoted by W in pn junction formula’s.
Metallurgical Junction:
Metallurgical Junction:

The interface where the p- and n-type materials meet.
The interface where the p- and n-type materials meet.
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 10
carriers per centimeter cubed. Usually in the range of 10
15
15
to 10
to 10
20
20
.
.

2-9 Phân cực thuận
2-10 Phân cực ngược

The Biased PN Junction
The Biased PN Junction
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002
Spring 2002
P

P
n
n
+
+
_
_
Applied
Applied
Electric Field
Electric Field
Metal
Metal
Contact
Contact
“
“
Ohmic
Ohmic
Contact”
Contact”
(Rs~0)
(Rs~0)
+
+
_
_
V
V
applied

applied
I
I
The pn junction is considered biased when an external voltage is applied.
The pn junction is considered biased when an external voltage is applied.
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 Junction
The Biased PN Junction
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002
Spring 2002
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
exponentially. Therefore, as the applied voltage
exponentially. Therefore, as the applied voltage
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
The barrier potential of the diode is the voltage at
which appreciable current starts to flow through the
which appreciable current starts to flow through the
diode. The barrier potential varies for different
diode. The barrier potential varies for different
materials.
materials.
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
conditions. This saturation current is made up of
conditions. This saturation current is made up of
electron-hole pairs being produced in the depletion
electron-hole pairs being produced in the depletion
region. Saturation current is sometimes referred to as
region. Saturation current is sometimes referred to as
scale current because of it’s relationship to junction
scale current because of it’s relationship to junction
temperature.
temperature.
V
V

applied
applied
> 0
> 0
V
V
applied
applied
< 0
< 0