bài giảng Các linh kiện bán dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CÁC LINH KIỆN
BÁN DẪN
24/09/15 1
Lại Nguyễn Duy
Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông
Email:
24/09/15 2
1. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện.
2. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu.
3. Diode bán dẫn.
4. Transistor 2 cực tính (BJT – Bipolar Junction
Transistor).
5. Transistor trường (FET: Field E6ect
Transistor).
3
Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn
điện
1. Mạng tinh thể và liên kết hoá trị.
2. Điện tử tự do và lỗ trống – bán dẫn loại
i.
3. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P.
4. Chuyển động trôi và khuếch tán của
hạt dẫn.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
4
Mạng tinh thể và liên kết hoá trị
Si hay Ge có 4 điện tử hoá trị.

Cần liên kết ->có 8 điện tử, và trở thành bền vững
->bán dẫn thuần khiết – bán dẫn loại i
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
5
Năng lượng
Vùng 1
Vùng 2
Vùng hóa trị
Vùng dẫn
Khe năng lượng
Không có e
-
e
-
Điện tử tự do và lỗ trống
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
6
Năng lượng
Vùng 1
Vùng 2
Vùng hóa trị
Vùng dẫn
e
-
Lỗ trống
Năng lượng t
o
Giản đồ năng lượng

Điện tử tự do và lỗ trống
Điện tử và lỗ trống được gọi là hạt dẫn
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
7
Dòng e và lỗ trống
V
e
-
Lỗ trống
Dòng e
-
Dòng lỗ
trống
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
8
Chất bán dẫn, chất dẫn và chất cách điện
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Năng
lượng
Vùng dẫn
Khe năng lượng
Vùng
hóa trị
Năng
lượng
Vùng dẫn
Khe năng

lượng
Vùng hóa trị
Năng
lượng
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
9
* Bán dẫn loại N
- Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết
với As (đối với Ge) hoặc P (đối với Si).
- As/P có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng.
Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với các
nguyên tử xung quanh và hạt nhân nên
dễ trở thành hạt dẫn tự do. Nguyên tử
tạp chất lúc này thành ion dương.
- Khi có điện trường, các hạt dẫn sẽ
chuyển động có hướng tạo thành dòng
điện. Tạp chất nhóm 5 cung cấp điện tử
cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi
là tạp chất cho.
- Trong chất bán dẫn loại N, n
e
> p
e
,
điện tử là hạt dẫn đa số và lỗ trống là
hạt dẫn thiểu số.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
24/09/15 10

* Bán dẫn loại P
- Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết với In
(đối với Ge) hoặc B (đối với Si).
- B/In có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi tham
gia liên kết với các nguyên tử khác, liên kết
thứ 4 bị bỏ hở. Khi có kích thích 1 trong
những điện tử ở các mối liên kết hoàn chỉnh sẽ
đến thế chỗ vào liên kết nói trên. Nguyên tử
tạp chất lúc này thành ion âm và lỗ trống xuất
hiện.
- Khi có điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển
động có hướng tạo thành dòng điện. Tạp chất
nhóm 3 tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn ban
đầu nên được gọi là tạp chất nhận.
- Trong chất bán dẫn loại P, p
e
> n
e
, lỗ trống là
hạt dẫn đa số và điện tử là hạt dẫn thiểu số.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
11
Chuyển động trôi và khuếch tán của
hạt dẫn
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế
dẫn điện
* Chuyển động trôi
Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh
thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường

gọi là chuyển động trôi.
Chuyển động trôi tạo thành dòng điện trôi.
* Chuyển động khuếch tán
- Dòng chuyển động khuếch tán xảy ra khi có
sự phân bố không đều đồng nồng độ hạt dẫn
trong một khối thể tích, khuếch tán từ nơi có
nồng độ cao –thấp. Dòng điện do chuyển
động có hướng này gây ra được gọi là dòng
điện khuếch tán.
12
1. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng.
2. Chuyển tiếp P – N khi có điện áp ngoài &
Đặc tính chỉnh lưu.
3. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N
(đọc giáo trình).
Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh
lưu
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính
chỉnh lưu
13
Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng
- Trước tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn cân
bằng về điện tích.
- Khi tiếp xúc, do chênh lệch nồng đồ nên
lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện
tử khuếch tán N -> P.
- Trên đường khuếch tán, các hạt dẫn trái
dấu tái hợp làm tại bề mặt ranh giới,
nồng độ hạt giảm rất thấp: bên P chỉ còn
lại các ion âm, N còn lại các ion dương.

Xuât hiện hiệu điện thế và điện trường
tiếp xúc. Vùng hẹp gọi là vùng nghèo.
- Do tác dụng của điện trường tiếp xúc
nên lỗ trống từ N chạy sang P và điện tử
từ P chạy sang N tạo thành dòng điện
trôi, ngược chiều với dòng khuếch tán.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính
chỉnh lưu
14
Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng
(tt)
- Nồng độ hạt dẫn đa số trong 2 khối
càng chênh lệch thì hiện tượng
khuếch tán và tái hợp càng nhiều =>
điện trường tiếp xúc càng tăng nên
dòng điện trôi cũng tăng. Sau 1 thời
gian dòng khuếch tán và dòng trôi cân
bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng
qua mặt ranh giới bằng 0. Chuyển tiếp
P – N đạt trạng thái cân bằng.
- Ứng với trạng thái cân bằng thì hiệu
điện thế tiếp xúc giữa P và N có giá trị
nhất định. Thông t hường là 0.3
V đối với Ge và 0.7V đối với Si. Hiệu
điện thế này ngăn không cho hạt dẫn
tiếp tục chuyển động qua mặt ranh
giới, duy trì trạng thái cân bằng gọi là
“hàng rào điện thế”.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính
chỉnh lưu

15
Chuyển tiếp P – N khi phân cực
nghịch
- Giả thiết điện trở chất bán dẫn ở vùng trung
hoà là không đáng kể. Khi đó điện áp V gần
như đặt toàn bộ lên vùng nghèo, chồng lên
hiệu điện thế tiếp xúc. Tình trạng cân bằng
không còn. Điện trường E do V gây ra cùng
chiều E
tx
làm hạt dẫn đa số của 2 bán dẫn xa
khỏi mặt ranh giới đi về 2 phía. => Vùng
nghèo bị mở rộng và điện trở vùng nghèo
tăng.
- Hàng rào điện thế trở thành V + V
tx
khiến
dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm
rất nhỏ còn dòng trôi của hạt dẫn tăng
theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số rất
nhỏ nên trị số dòng này rất thấp. Nó nhanh
chóng đạt trạng thái bão hoà khi V còn rất
thấp. Dòng điện qua chuyển tiếp P – N rất bé
và mang dấu âm I = -I
s
. I
s
là dòng ngược
bão hoà.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính

chỉnh lưu
16
Chuyển tiếp P – N khi phân cực
thuận
- Trong trường hợp này hàng rào
điện thế chỉ còn Vtx – V nên hạt
dẫn đa số của 2 bán dẫn sẽ tràn
qua hàng rào sang miền đối diện .
Tình trạng thiếu hạt dẫn bị giảm
bớt nên bề dày vùng nghèo bị thu
hẹp và điện trở vùng nghèo giảm.
Dòng khuếch tán tăng nhanh
theo V còn dòng điện trôi giảm
theo V. Dòng điện trôi rất bé và coi
như không đổi. Dòng qua chuyển
tiếp P – N lúc này là dòng điên
thuận và lớn hơn rất nhiều so với
dòng điện ngược.
- Khi V càng tăng, bề dày vùng
nghèo càng giảm và hàng rào thế
càng giảm. Khi V = Vtx thì dòng
thuận vô cùng lớn, phá hỏng miền
tiếp xúc. Đây là hiện tượng cần
tránh.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính
chỉnh lưu
17
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính
chỉnh lưu
Đặc tính chỉnh

lưu
- Chuyển tiếp P – N là bộ
phận quan trọng nhất của 2
bán dẫn khác loại. Khi phân
cực thuận, vùng nghèo nhỏ,
điện trở thấp và dòng điện
lớn và tăng nhanh theo
điện áp. Khi phân cực
ngược, điện trở rất lớn, dòng
rất nhỏ và hâu như không
thay đổi theo V.
- Khi có điện áp xoay chiều
đặt vào thì nó chủ yếu dẫn
điện theo 1 chiều. Đó là đặc
tính chỉnh lưu.
18
Phần 3: Diode bán dẫn
1. Diode chỉnh lưu.
2. Diode zener.
3. Diode biến dung (đọc giáo trình).
4. Diode tunnel (đọc giáo trình).
19
•
Cấu tạo:
P
A +
N
K -
Lôùp Tieáp Giaùp P-N
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode

bán dẫn
DIODE CHỈNH LƯU
20
Ký hiệu và hình dáng
D
A
K
+
Vạch màu trắng
(Cực âm)
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
DIODE CHỈNH LƯU
21
- Bộ phận cơ bản của diode là chuyển tiếp P – N,
có đặc tính chủ yếu là dẫn điện theo 1 chiều.
- Ứng dụng: biến điện xoay chiều thành điện 1
chiều nên có tên là diode chỉnh lưu.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
DIODE CHỈNH LƯU
22
* Đặc tuyến Volt - Ampere
- Khi điện áp thuận nhỏ hơn Vγ =
0.7V (đối với Ge là 0.3V) thì dòng
điện thuận còn bé, chưa
đáng kể. Chỉ khi điện áp vượt
quá điện áp mở Vγ thì dòng
điện mới tăng nhanh theo điện
áp. Đoạn đặc tuyến này gần như 1

đường thẳng có độ dốc không
đổi.
- Dòng điện ngược có giá trị rất
nhỏ. Khi điện áp ngược thực tế
tăng dần và khi đạt đến điện áp
đánh thủng VB thì dòng điện
ngược tăng rất nhanh.
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
DIODE CHỈNH LƯU
23
Các loại Diode khác
1. Diode zener
2. Diode biến dung (đọc giáo trình).
3. Diode tunnel (đọc giáo trình).
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
24
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
Diode zener
* Cấu tạo:
- Vẫn là chuyển tiếp P – N nhưng được chế
tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và toả nhiệt
tốt, do đó khi có điện áp ngược đủ lớn
để xảy ra quá trình đánh thủng về điện
(không xảy ra quá trình đánh thủng về
nhiệt) vẫn không phá hỏng diode.
* Đặc tuyến Volt – Ampere
- Điện áp trong quá trình đánh thủng gần

như song song với trục dòng điện nên diode
zener thường được dùng để ổn định áp.
25
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode
bán dẫn
Diode zener
(tt)
- Giới hạn trên của phạm vi
làm việc là trị số dòng
ngược tối đa cho phép, xác
định bởi công suất tiêu hao
cực đại của diode P
max
.
- Mạch ổn áp dùng zener: