Bài giảng: Điện tử ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa doc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
B
B
Ộ
Ộ
MÔN: T
MÔN: T
Ự
Ự
Đ
Đ
Ộ
Ộ
NG H
NG H
Ó
Ó
A
A
BÀI GIẢNG
Điện tửứng dụng
Trong k
Trong k
ĩ
ĩ
thu
thu
ậ
ậ
t đi

t đi
ề
ề
u khi
u khi
ể
ể
n công nghi
n công nghi
ệ
ệ
p
p
v
v
à
à
t
t
ự
ự
đ
đ
ộ
ộ
ng h
ng h
ó
ó
a

a
GVC. Th.s. Nguy
GVC. Th.s. Nguy
ễ
ễ
n Ho
n Ho
à
à
ng Mai
ng Mai
Tel: 0988841568
Tel: 0988841568
Vùng dẫn
Chương 1: Dụng cụ bán dẫn
$1: Khái niệm chất bán dẫn
•Mứcchặt còn gọilàmứchoátrị: năng lượng Eo
•Mứctự do còn gọilàmứcdẫn: năng lượng Ed
•Năng lượng kích thích tốithiểu: ∆Ed=Ed – Eo
Mức
tự do
Mứcchặt
(hóa trị)
∆Ed
Ed
Eo
∆Ed
Vùng hoá trị
Khái niệmchấtbándẫn
• Độ tinh khiếtcủachấtbándẫnrất cao 1e+2 -:-

1e+4 nguyên tử trong một centimet khốiSihoặc
Ge (lưu ý là có khoảng 10
23
nguyên tử Si/centimet
khối
Vùng hoá trị
Vùng dẫn
Vùng hoá trị
∆E lớn
E
Cách điện
Vùng dẫn
Vùng hoá trị
∆E nhỏ
E
Bán dẫn điện
Vùng dẫn
E
Dẫn điện
∆E<0
Vùng
chung
• Đối với các điện tử lớp bên trong, nhiễu loạn do các
nguyên tử láng giềng gây ra yếu nên chúng liên kết mạnh
với hạt nhân
•Các điện tử lớp ngoài chịu ảnh hưởng lớn của các điện tử
láng giềng nên sự tách mức năng lượng xảy ra trên một
vùng rộng, gây nên hiện tượng chồng phủ các mức năng
lượng lên nhau.
•Với Si, lớp ngoài cùng được tạo thành bởi 2 điện tử p và 2

điện tử s. Khi tinh thể được tạo thành thì các vùng do các
mức 3p và 3s tách ra chồng phủ lên nhau, hai điện tử 3s và
hai điện tử 3p tạo nên một vùng đầy gọi là vùng hóa trị,
bốn vị trí còn lại trên mức 3p nhóm thành một vùng chưa
biết gọi là vùng dẫn.
Liên kếtmạng Si
•Liênkếtcộng hoá trịđượcsử dụng trong mạng.
•Nếucókíchthíchnăng lượng sẽ tạoramột ion dương và
một điệntử tự do
•Số lượng điện tích rất ít nên không ứng dụng được
Điện tử phân bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm
mức năng lượng:
Trong đó:
K = 8,63.10
-5
eV/K là hằng số Boltzman
T: nhiệt độ tuyệt đối
E
F
là mức năng lượng Fermi được xác định từ biểu thức:






−

+
=
KT
EE
Ef
F
exp1
1
)(
∫
∞
=
0
)()()(2 EdEfENn
n là nồng độ điện tử,
Bán dẫnphatạpchấthoátrị 3 - loạip (plus)
•Phatạpchấthoátrị 3 (Al, B) để tăng khả năng thu hút điệntử, ta có
loạidẫn điệnbằng lỗ trống.
Bán dẫnphatạpchấthoátrị 5 - loại n (negative)
•Phatạpchấthoátrị 5 (P) sẽ tạo1 điệntử dư khi liên kếtcộng hoá trị
nên điệntử này sẽ dễ tự do và chuyển động trong điệntrường tạonên
dòng điệntử, loạin đượcgọilàbándẫndẫn điệnbằng điệntử.
$2. Tiếpgiápp-nvàđặc tính V-A
•Phânbố hạtdẫn, điệntrường nộitạivàđiệnthế tiếp xúc trong hai miền
bán dẫnp-n
E

0
E
0
U
0
x
x
Tiếpgiápp-nphâncựcngược
• Khi phân cựcngược, miền cách điện đượcmở rộng ra do điệntrường
ngoài cùng chiềuE
0
, có tác dụng kéo các hạtdẫnvề hai phía củalớp
bán dẫn, miềngiữachỉ còn các nguyên tử trung hoà trơ, điệntrở cách
điện được coi như vô cùng
•Thựctế do kích thích củanhiệt độ, nên mộtsố nguyên tử sẽ tạo thành
cặp ion p và điệntử, sẽ gây một dòng rò nhiệtchảyngượccỡ vài chục
nA(nanoAmpe= 10
-9
A)
E
0
E
n
U
n
Vùng nghèo
Tiếpgiápp-nphâncựcthuận

• Khi phân cựcthuận, các hạtdẫnsẽ chuyển động qua lạihailớpvàhoà
trộn vào nhau, miền phân cách chứa đầy các hạtdẫndo đómất tính
cách điện.
• Điệntrở củatiếp giáp p-n lúc này coi như bằng 0, dòng điệnchảy qua
hoàn toàn.
• Như vậy, tiếpgiápp-nchỉ chodòngchảyqua mộtchiều
nhất định.
E
0 E
n
U
n
ĐặctínhV-A củatiếpgiápp-n
• Vùng 1: vùng phân cựcthuận
• Vùng 2: vùng phân cựcngược
• Vùng 3: vùng đánh thủng, các nguyên tử bán dẫnbị ion hoá toàn bộ
khi điệntrường đủ lớn, gây ra hiệu ứng ion hoá dây chuyền do va
chạm
I
0
I
U
1
2
3
U
t

U
0