Chuong 4(cac LK ban dan)

§4. Lý Thuyết Bán Dẫn

Ths. Chu Hồng Hải
ĐH GTVT TP HCM
GV Bộ Môn ĐTVT – Khoa Điện-ĐTVT
Email:
20/04/2016

1


Nội Dung

P1. Sự dẫn điện trong tinh thể bán dẫn.

P2. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu.

P3. Diode bán dẫn.

P4. Các ứng dụng của Diode.

20/04/2016

2

Chương 2: Lý Thuyết Bản Dẫn


P1. Sự dẫn điện trong tinh thể bán dẫn

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.

20/04/2016

3

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Mạng tinh thể và liên kết hoá trị

❑Chất bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. đó là các chất Germanium ( Ge) và Silicium (Si)
❑Cần liên kết ->có 8 điện tử, và trở thành bền vững ->bán dẫn thuần khiết – bán dẫn loại i

Bán dẫn tinh khiết

20/04/2016

4

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Điện tử tự do & lỗ trống
Năng lượng

Vùng dẫn
e

-

Vùng hóa trị

Khe năng lượng
Không có e

Vùng 2

Vùng 1

20/04/2016

5

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Cont.

Năng lượng

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

e

Lỗ trống

Năng lượng t

o

Vùng 2

Vùng 1
Giản đồ năng lượng
Điện tử và lỗ trống được gọi là hạt dẫn
20/04/2016

6

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Dòng electron và lỗ trống

e

-

Lỗ trống

Dòng lỗ trống

Dòng e

V

20/04/2016

7

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Chất bán dẫn, chất dẫn và chất cách điện

Năng lượng

Năng lượng

Năng lượng

Vùng dẫn

Khe năng lượng
Vùng dẫn

Khe năng lượng

Vùng hóa trị

20/04/2016

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Vùng hóa trị

8

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Bán dẫn loại N

• Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử
Si theo liên kết cộng hoá trị.

• Nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn lúc
này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ).

20/04/2016

9

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Bán dẫn loại P

▪ Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) hoặc Bo (B) vào chất bán dẫn Si  thì 1 
nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử  => trở thành lỗ
trống ( mang điện dương)  và được gọi là chất bán dẫn P.

20/04/2016

10

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Chuyển động trôi và khuếch tán của hạt dẫn

❖ Chuyển động trôi
- Nếu hạt dẫn trong môi trường chân không và có đi ện tr ường tác đ ộng thì các h ạt d ẫn này s ẽ có chuy ển đ ộng gia t ốc. Khi
hạt dẫn va chạm với các nguyên tử của mạng tinh thể thì giá tr ị và chi ều c ủa v ận t ốc s ẽ thay đ ổi. Chuy ển đ ộng trôi
tạo thành dòng điện trôi.

❖ Chuyển động khuếch tán
- Dòng chuyển động khuếch tán xảy ra khi có sự phân b ố không đ ều đ ồng n ồng đ ộ h ạt d ẫn trong m ột kh ối th ể tích. Dòng
điện do chuyển động có hướng này gây ra được gọi là dòng điện khu ếch tán.

20/04/2016

11

Phần 1: Sự Dẫn Điện Trong Tinh Thể Bán Dẫn


Chuyển tiếp P-N & đặc tính chỉnh lưu

1. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng.

2. Chuyển tiếp P – N khi có điện áp ngoài & Đặc tính

3. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N (đọc giáo

20/04/2016

12

chỉnh lưu.

trình).

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


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.

20/04/2016

13

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


Cont.
- 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 thường là 0.35V 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”.

20/04/2016

14

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


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 Etx là 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
= -Is. Is là dòng ngược bão hoà.

20/04/2016

15

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


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.

20/04/2016

16

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


Đặc tính chỉnh lưu

✓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.

20/04/2016

17

Phần 2: Chuyển tiếp P-N và Đặc Tính Chỉnh Lưu


P3. Diode Bán Dẫn
1. Diode chỉnh lưu.

2. Diode zener.

3. Diode biến dung (tự đọc).

4. Diode tunnel (tự đọc).

20/04/2016

18

Phần 3: Diode bán dẫn


Diode Chỉnh Lưu

•

Cấu tạo:

A+

P

N

K-

Lôùp Tieáp Giaùp P-N
20/04/2016

19

Phần 3: Diode bán dẫn


Diode Chỉnh Lưu

Ký hiệu và hình dáng

Vạch màu trắng
(Cực âm)

20/04/2016

20

Phần 3: Diode bán dẫn


Đặc tuyến Volt - Ampere

- Khi điện áp thuận nhỏ hơn Vγ = 0.7V (đối với Ge là
0.3V) thì dòng điện
kể. Chỉ khi

thuận còn bé, chưa đáng

điện áp vượt quá điện áp mở Vγ thì

dòng điện mới tăng nhanh theo điện
tuyến này gần như 1

áp. Đoạn đặc

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

20/04/2016

dòng điện ngược tăng rất nhanh.

21

Phần 3: Diode bán dẫn


Các mô hình xấp xỉ Diode

1. Diode lý tưởng V(γ) = (Vtx)= 0

Khi khóa

Khi khóa

đóng

mở

2. V(γ) = (Vtx)=0.7

-

Khi khóa

Khi khóa

đóng

mở

V
+

Id

Id
Vd

Vd

0

0

Đặc tuyến lý tưởng

20/04/2016

22

V

Phần 3: Diode bán dẫn


Phương pháp đo kiểm tra Diode
•Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu :

•Đo chiều thuận que đen  vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo
kim không lên là => Diode tốt

•Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω  => là Diode bị chập.
•Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt.
•Ở phép đo trên thì Diode  D1 tốt , Diode D2 bị chập và D3 bị đứt
•Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị
rò.

20/04/2016

23

Phần 3: Diode bán dẫn


Diode zener
•Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong
chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một
mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode

20/04/2016

24

Phần 3: Diode bán dẫn


Mạch ổn áp dùng Zener

″Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng
thay đổi

″Nếu  U1 > Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz
không đổi

20/04/2016

25

Phần 3: Diode bán dẫn