VẬT LIỆU điện điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

KHOA ĐIỆN TỬ

Bộ Môn KỸ Thuật Điện Tử

VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
(VẬT LIỆU BÁN DẪN)

Thực hiện: ThS. Phạm Xuân Hổ


KHÁÍ QUÁT VỀ BÁN DẪN
Phân biệt các chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện :
Cấu trúc nguyên tử của

Tầng dẫn
Wg

germanium ; silicon.

Vùng cấm

Chất cách điện

Wg

Chất bán dẫn

Chất dẫn điện

Tầng hóa trò

Bán
dẫn
thuần

Đơn chất
Nguyên tố
nhóm IV
Ge và Si

Hợp chất
Ng/tố nhóm
AIIIBV GaAs
AIIBVI CdS


KHÁI QUÁT VỀ BÁN DẪN
Cấu trúc mạng tinh thể bán dẫn thuần :

NGUYÊN
TỬ

Liên
kết
hóa
học

Ô cơ bản trong cấu trúc mạng tinh thể

Ô cơ sở Ge và Si
Si có a = 5,43 A0

Ô cơ sở của GaAs
có a= 5,65A0

Mạng bán dẫn thuần


KHÁI QUÁT VỀ BÁN DẪN
Nguyên lý dẫn điện của vật liệu bán dẫn thuần :
E
Electron tự do

Lỗ trống

Điện dẫn suất :

σ = ni .e.(μ N + μ P )


KHAÙI QUAÙT VEÀ BAÙN DAÃN


KHÁI QUÁT VỀ BÁN DẪN
Mật độ điện tích ni phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ
→ nh hưởng đến tính chất dẫn điện của bán dẫn :
3

2

2.π .k.T ⎞
#
⎛
2
ni= ⎜
2 ⎟ . mN.mP .e
⎝ h ⎠

Wg

3
# 4 − 2.k.T

(

)

3
2

−

= AT .e

Wg
2.k .T

k : Hằng số Boltzmann = 1,38.10- 23 (J/0K) ; e = 1,602.10-19C

h ; Hằng số Planck = 6,625.10- 34 (Js) ; m = 9,108.10- 31 Kg
mN# : Si = 0,98m ; Ge = 1,64m ; GaAs = 0,067m
mP# : Si = 0.49m ; Ge = 0,28m ; GaAs = 0,45m

α .T 2
Wg (T ) = Wg (0 ) −
T +β

Wg(0) (eV)

α (eV/0K)

β (0K)

Si

1,17

4,37.10 - 4

636

Ge

0,74

4,77.10 - 4

235

GaAs

1,519

5,40.10 - 4

204


KHÁI QUÁT VỀ BÁN DẪN
Nguyên lý dẫn điện của vật liệu bán dẫn loại N :
E
P

Electron tự do

Lỗ trống

P
P

Điện dẫn suất :

P

σ = nd .e.μ N


KHÁI QUÁT VỀ BÁN DẪN
Nguyên lý dẫn điện của vật liệu bán dẫn loại P :

E
Electron tự do

B
B

Lỗ trống

B
B

Điện dẫn suất :

B

σ = na .e.μ P


TIẾP XÚC P/N
Hạt tải đa số

Hạt tải đa số

Hạt
tải
thiểu
số

E

Bán dẫn loại P

U TX

kT Na . Nd
= U0 =
ln
e
ni2

ε = εr ε0
7

Hạt
tải
thiểu
số

ε 0 = 10 2 = 8,856.10 −12 F / m
4.π .c

UTX
dP

dN

Bán dẫn loại N
1
⎡ 2.ε . N a .U 0 ⎤ 2
dN = ⎢

⎥
(
)
+
e
.
N
.
N
N
⎣
d
a
d ⎦

d N Na
=
d P Nd

⎡ 2.ε . N d .U 0 ⎤
=
dP ⎢
⎥
(
)
+
e
.
N
.

N
N
⎣
a
a
d ⎦

1
2

⎡ 2.ε
Na + Nd ⎤
d = dN + dP = ⎢ U0
⎥
Na . Nd ⎦
⎣ e

1
2


TIEÁP XUÙC P/N


TIẾP XÚC P/N
Hạt
tải
thiểu
số

Dòng hạt thiểu số I0 EN
Hạt tải đa số
Hạt tải đa số

I0

Hạt
tải
thiểu
số

E

Bán dẫn loại N

Bán dẫn loại P

Mật độ dòng
bão hòa ngược

⎛ DP
⎞
D
N
⎟⎟
+
J 0 = e.n ⎜⎜
⎝ LP Nd LN Na ⎠
2
i

( A/ m2 )


TIEÁP XUÙC P/N


TIẾP XÚC P/N
Hạt
tải
thiểu
số

Hạt tải đa số

Dòng dẫn thuận ID

E

ID
Bán dẫn loại N

Bán dẫn loại P

Dòng điện dẫn thuận
qua tiếp xúc

EN
Hạt tải đa số

I = I 0 .e

e .U
k .T

= I 0 .e

UD
η .VT

η : hệ số điều chỉnh 1 < η <2

Hạt
tải
thiểu
số


TIEÁP XUÙC P/N


TIẾP XÚC P/N
Một số công thức quan trọng của tiếp xúc P/N :
⎛ e.U 0 ⎞
Quan hệ giữa hạt
=
=
⎟;
P
N a PN . exp⎜

đa số và thiểu số P
⎝ k .T ⎠
Điện dung riêng của
vùng trống CJ= C/s
Điện áp trên tiếp
xúc khi tiếp xúc
Dòng qua tiếp xúc
theo hướng từ P→N

⎛ e.U 0 ⎞
=
=
⎟
N N N d N P . exp⎜
⎝ k .T ⎠
1

⎡ ε .e. Na . Nd ⎤ 2 −1 2
=⎢
.U J
CJ =
⎥
d N + d P ⎣ 2.(Na + Nd )⎦

ε

e. N a . N d
U J = U0 ±U =
d2
2.ε .(N a + N d )

⎞
⎛ U D .e
η . k .T
⎜
=
− 1⎟
I I0 . e
⎟
⎜
⎠
⎝

(F / m )
2

+ : pc nghòch
- : pc thuận

UD (+) khi pc thuận

UD (-) khi pc nghòch


DIODE BÁN DẪN
Cấu tạo :
Ký hiệu :

Anode

P

Điện trường tiếp xúc
có hướng từ N
P

Mặt ghép

Cathode

N

ID

Vùng nghèo

Cathode (K)

Anode (A)

Thực tế :
vài chục mA

Đặc tuyến :

UAK

VBR
0v

I0

Điện áp
đánh
thủng

0,6v
2

1

Đoạn phân cực nghòch
A

+
K

Đặc tuyến Vôn-Ampe
điển hình của Diode

0,7v

Đoạn phân cực thuận
+
A

K

1

Phân cực thuận: chưa dẫn

2

Phân cực thuận: dẫn


TIẾP XÚC P/N
Hiện tượng đánh thủng tiếp giáp P/N :
Đánh thủng thác lũ : Do hạt
thiểu số tăng tốc theo điện áp
gây ion hóa các nguyên tử
qua va chạm → dòng thác lũ.
Vùng thác lũ (Vz) giảm gần
trục tung khi tăng các kích
thích trong lớp P và N

A

+
K

Đoạn phân cực nghòch
Vz

UAK
0v

Vùng Zener

.6 .7
+
A

K

Đoạn phân cực thuận

Đặc tuyến
giới hạn
công suất

Izmax

Đánh thủng xuyên hầm : Khi mật độ tap chất trong bán dẫn
tăng → ETX lớn gây ra hiệu ứng xuyên hầm lôi kéo các etrong vùng hóa trò của lớp P vượt qua UTX chảy sang lớp N
Đánh thủng nhiệt : Xảy ra do tích lũy nhiệt trong vùng tiếp
xúc vượt quá giới hạn → Hư hỏng vónh viễn tiếp xúc


CÁC LỌAI DIODE BÁN DẪN
Diode chỉnh lưu : có mặt tiếp xúc lớn chòu dòng tải

cao thường dùng nắn dòng AC → DC

Diode tách sóng : sử dụng tiếp xúc điểm để điện dung
bé → làm việc ở tần số cao

Diode Zener : thường bằng vật liệu Si chòu nhiệt và tỏa
nhiệt tốt họat động chủ yếu vùng zener từ (1,8 ÷ 200)V

Diode biến dung : có lớp tiếp xúc đặc biệt để diện

dung khá tuyến tính với điện áp ngược → tạo sóng điều
tần dể điều chỉnh tần số cộâng hưởng

Diode phát quang : thường dùng bán dẫn hợp chất có
mức Wg thay đổi điều chỉnh được theo nồng độ tạp chất,
sử dụng yếu tố phát sáng bước sóng λ nhìn thấy được
khi phân cực thuận có sự tái hợp e- và lỗ trống


DIODE BÁN DẪN
nh hưởng của điện dung diode :
XC = 1 π
2. . f .t

C0 = CJ +CD

Tần số cao → XC nhỏ gây ngắn mạch
Tần số thấp → XC lớn gần như hở mạch
CJ : Điện dung tiếp xúc : CJ = ε.A/d .
nh hưởng lớn khi diode chưa dẫn
CD = dQ/dV. Điện dung khuếch tán do điện
tích phun vào vùng bán dẫõn khi diode dẫn

Mạch thay thế Diode tính đến điện dung:

rB

RD

C0

Mạch thay thế Diode tần số cao :

1
⇒ L.C .ω 2 = 1
L.ω =
C .ω

CJ hay CD

Khắc phục ành hưởng của C
→ Dùng L mắc // diode


DIODE BÁN DẪN
nh hưởng của thời gian khôi phục ngược:
Khi mạch chuyển từ thời gian dẫn sang
ngưng dẫn do các hạt điện tích còn lưu lại
+ ở N và – ở P cần thời gian trở về trạng
thái ban đầu → giới hạn tần số làm việc
nh hưởng của nhiệt độ:
Nhiệt độ ảnh hưởng thay đổi mật độ
điện tích ni , đồng thời làm thay đổi điện
áp tiếp xúc U0 và dòng ngược bão hòa J0
→ Diode được ứng dụng làm cảm biến
nhiệt

Thời gian

suy giảm tt
Thời gian
duy trì tS
Thời gian khôi phục ngược trr

Dòng
làm
việc

Sụt áp trên Diode


CAÙC LOÏAI DIODE BAÙN DAÃN


CÁC LỌAI DIODE BÁN DẪN
Diode chỉnh lưu

Các lọai diode dán

DIODE

Diode chỉnh lưu cầu

Diode công suất lớn


CAC LOẽAI DIODE BAN DAN
Diode Zener

Light Emitting Diode

+


Led

Diode taựch soựng

Varicap diode

Photo diode


CÁC LỌAI DIODE BÁN DẪN
Giống như Diode, LED (Light Emitting Diode – Diode phát
quang) chỉ dẫn điện theo một chiều từ A → K (chiều thuận) và
khi xuất hiện dòng điện thuận (IF) thì LED phát sáng. Khi dòng
điện thuận qua LED khoảng 20mA thì LED đạt độ sáng bình
thường, lúc này điện áp thuận UF khoảng vài V tuỳ theo màu
sắc ánh sáng.
Loại LED

Bước sóng
ánh sáng

Điện áp UF khi dòng qua
LED khoảng 20mA

Đỏ

650nm

1,6 → 1,8V

Cam

635nm

2V

Vàng

585nm

2,2V

Xanh lá cây

565nm

2,4V

Xanh da trời

470nm

3V

CÁC LỌAI DIODE BÁN DẪN
Nguyên lý phát sáng của LED :