điện tử tương tự bán dẫn

Điện tử tương tự và ứng dụng
Chương 1

Chất bán dẫn
1
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Cấu trúc nguyên tử
Nguyên tử: phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố chứa ba hạt cơ bản
• proton (hạt mang điện tích dương)
• neutron (hạt không điện tích)
• điện tử (electron)
(hạt mang điện tích âm):
di chuyển theo quỹ đạo
quanh nhân.

Electron

Proton

Neutron
2

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Các chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện
• Vật chất có thể được phân chia thành 3 nhóm:
– Các chất dẫn điện: có một điện tử hóa trị (điện tử ở vòng hóa trị
(vòng ngoài cùng)), liên kết yếu với nguyên tử. Những điện tử

hóa trị này có thể dễ dàng thoát khỏi các nguyên tử của chúng
và trở thành điện tử tự do.
Thí dụ: đồng, bạc, nhôm, vàng …
•

– Các chất cách điện: chất không dẫn điện dưới những điều kiện
bình thường. Các điện tử hóa trị của những chất cách điện liên
kết chặt chẽ với các nguyên tử.
•

– Các chất bán dẫn: chất ở giữa chất dẫn điện và chất cách điện
khi xét về khả năng dẫn điện. Các chất bán dẫn được đặc trưng
bởi những nguyên tử có 4 điện tử hóa trị.

3
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Các chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện
Các dải năng lượng:
Khe năng lượng: số lượng năng lượng mà điện tử hóa trị cần có để
nhảy từ dải hóa trị (valence band) lên dải dẫn điện (conduction band).

(a) Chất cách điện

(b) Chất bán dẫn

(c) Chất dẫn điện

4

Chất bán dẫn và chất dẫn điện
Điện tử hóa trị
Lõi (+1)

Điện tử hóa trị
Lõi (+4)

(a) Nguyên tử silicon

(b) Nguyên tử đồng

5


Cấu trúc nguyên tử của chất bán dẫn
4 điện tử hóa trị ở lớp
(vòng) hóa trị (vòng ngoài
cùng)

Nguyên tử silicon

Nguyên tử germanium

6


Liên kết hóa trị
Tinh thể

silicon thuần

Liên kết hóa trị
Mỗi nguyên tử trao đổi một điện tử với nguyên
tử lân cận để tạo thành liên kết hóa trị. Mỗi
nguyên tử có 4 liên kết hóa trị với 4 lân cận.

7
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Tính dẫn điện của chất bán dẫn
Liên kết hóa trị

Năng lượng
Điện tử
tự do

Dải dẫn điện
Khe năng lượng

Năng lượng
nhiệt

Lỗ

Dải hóa trị

Cặp điện tử - lỗ

Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt có thể làm cho một điện tử rời khỏi liên
kết hóa trị.
⇒ Tinh thể silicon thuần ở nhiệt độ cao ⇒ một số điện tử được phóng thích
tự do ⇒ để lại các lỗ (hole) ⇒ dòng điện có thể tồn tại.
8


Tính dẫn điện của chất bán dẫn
Hai loại dòng điện:
Dòng điện tử: do các điện tử tự do di chuyển tạo ra.
Dòng lỗ: do các lỗ di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác trong cấu trúc tinh thể
tạo ra.
5.Điện tử hóa trị di chuyển
đến lỗ 4 và để lại lỗ 5
6.Điện tử
hóa trị di
chuyển đến
lỗ 5 và để lại
lỗ 6

3.Điện tử hóa trị di chuyển
đến lỗ 2 và để lại lỗ 3
4.Điện tử hóa
trị di chuyển
đến lỗ 3 và để
lại lỗ 4

2.Điện tử hóa
trị di chuyển
đến lỗ 1 và để

lại lỗ 2

1.Điện tử tự do
để lại một lỗ ở
liên kết hóa trị

9


Chất bán dẫn nội tại
• Chất bán dẫn nội tại: chất bán dẫn không bị kích tạp, không có các
tạp chất.
• Việc phá vỡ một liên kết hóa trị sẽ tạo ra một điện tử tự do và một
lỗ, do đó số lượng lỗ sẽ luôn bằng số lượng điện tử tự do. Bán dẫn
này được gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn nội tại (intrinsic).
• Trong chất bán dẫn nội tại:
mật độ điện tử tự do n = mật độ lỗ tự do p
n = p = ni
• ni phụ thuộc vào:
– Năng lượng tối thiểu cần có để giải phóng một điện tử (năng
lượng của khe dải (bandgap energy))
– Nhiệt độ tuyệt đối.
10
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Dòng điện trong chất bán dẫn
• Khi đặt một hiệu điện thế lên hai đầu bán dẫn, trường điện sẽ làm
cho các điện tử tự do di chuyển ngược chiều trường điện và các lỗ
di chuyển cùng chiều trường điện.

• Cả hai sự di chuyển này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có
chiều cùng chiều trường điện được gọi là dòng trôi (drift current).
• Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di chuyển của hạt mang
điện trong bán dẫn, khả năng di chuyển được đánh giá bằng độ linh
động của hạt mang điện. Độ linh động này phụ thuộc vào loại hạt
mang điện cũng như loại vật liệu.
Silicon: n=0.14 (m2/V.s), p=0.05 (m2/V.s)
Germanium: n=0.38 (m2/V.s), p=0.18 (m2/V.s)
• Vận tốc của hạt mang điện trong trường điện E:
vn = E. n
vp = E. p
11
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Dòng điện trong chất bán dẫn
• Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt mang điện thì
các hạt mang điện này sẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật
độ hạt mang điện cao đến nơi có mật độ hạt mang điện thấp hơn
nhằm cân bằng mật độ hạt mang điện.
• Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn.
Dòng điện này được gọi là dòng khuếch tán (diffusion current).
• Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn) trừ khi
sự chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn.

12
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Dòng điện trong chất bán dẫn

• Mật độ dòng điện J:
J  Jn  Jp
 nq n  n E  pq p p E

Với:

 nq n v n  pq p v p

J: mật độ dòng điện (A/m2) ;
E: cường độ điện trường(V/m)

n, p: mật độ điện tử tự do và lỗ, (hạt dẫn/m3)
qn, qp: điện tích của điện tử, lỗ = 1.6 x 10-19 C
n, p: độ linh động của điện tử tự do và lỗ (m2/Vs)
vn, vp: vận tốc điện tử tự do và lỗ, (m/s)
13
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Dòng điện trong chất bán dẫn
• Thí dụ:
Một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu của một thanh bán dẫn thuần
trong hình vẽ. Giả sử: ni=1.5x1010 điện tử/cm3; n= 0.14m2/Vs;

p=0.05m2/Vs
• Tìm:
1. Vận tốc điện tử tự do và lỗ.
2. Mật độ dòng điện tử tự do và lỗ.
3. Mật độ dòng tổng.

4. Dòng tổng trong thanh bán dẫn.
14
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Dòng điện trong chất bán dẫn
1. Ta có:
E  U / d  2.103 V / m
v n  E. n  2.8 x 102 m / s
v p  E. p  102 m / s

2. Vì là bán dẫn thuần nên:
pi  ni  1.5 x 1010( / cm3 )  1.5 x 1010 / 106 (/ m3 )
J n  ni .qn .vn  0.672 A / m2
J p  pi .qp .vp  0.24 A / m2
3. J  J n  J p  0.672  0.24  0.912 A / m 2

4. Tiết diện ngang của thanh là : (20.10-3m) (20.10-3m)= 4.10-4 m2.
Dòng điện: I  J.S  (0.912 A / m2 ).(4 x104 m2 )  0.365 mA
15
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
Điện tử tự do từ
nguyên tử Sb

Lỗ từ nguyên tử B

16

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
• Trong bán dẫn nội tại, mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ.
• Trong thực tế, người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó mật độ
điện tử lớn hơn mật độ lỗ hoặc vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ lớn
hơn mật độ điện tử tự do.
• Các vật liệu bán dẫn này được gọi là bán dẫn có pha tạp chất hay
bán dẫn kích tạp.
• Bán dẫn mà điện tử tự do chi phối được gọi là bán dẫn loại N, và
ngược lại, bán dẫn trong đó lỗ chi phối chủ yếu được gọi là bán dẫn
loại P.
• Người ta đặt vào bên trong bán dẫn thuần một nguyên tử tạp chất
có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng.
• Nguyên tử này sẽ dùng 4 điện tử để tạo 4 liên kết hóa trị thông
thường, vì vậy điện tử còn lại sẽ có liên kết rất yếu đối với nhân
nguyên tử và dễ dàng trở thành điện tử tự do.

17
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
• Khi đưa vào một lượng lớn tạp chất thì số lượng điện tử tự do sẽ
càng nhiều và bán dẫn được gọi là bán dẫn loại N. Điện tử tự do
được gọi là hạt mang điện đa số.
• Nguyên tử tạp chất lúc này được gọi là nguyên tử tạp chất cho
(donor). Các vật liệu được sử dụng làm tạp chất cho thông thường
là antimony, arsenic, phosphorus.
• Bán dẫn loại P cũng được tạo ra bằng cách đưa vào bán dẫn thuần

một tạp chất có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng.
• Vì vậy, trong cấu trúc tinh thể bán dẫn xảy ra hiện tượng thiếu điện
tử và không đủ để tạo liên kết hóa trị, do đó sẽ xuất hiện lỗ trống
bên trong bán dẫn. Càng có nhiều tạp chất được đưa vào sẽ có càng
nhiều lỗ trống, chính là bán dẫn loại P. Lỗ được gọi là hạt mang điện
đa số.
• Nguyên tử tạp chất được gọi là nguyên tử tạp chất nhận.
• Vật liệu thường được dùng làm tạp chất nhận thông thường là
aluminum, boron, gallium, indium.
18
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

•
•
•

•
•
•

Chất bán dẫn loại N
Nguyên tử tạp chất hóa trị 5 (với 5
điện tử hóa trị) được thêm vào.
Mỗi nguyên tử hóa trị 5 tạo thành
các liên kết hóa trị với 4 nguyên tử
silicon lân cận ⇒ để lại một điện tử
thừa không tạo thành liên kết.

Nguyên tử hóa trị 5 cung cấp thêm
một điện tử ⇒ nguyên tử cho .
Hạt mang điện đa số: điện tử.
Hạt mang điện thiểu số: lỗ.
Nguyên tử tạp chất  ion dương

•
•
•

•
•
•

Chất bán dẫn loại P
Nguyên tử tạp chất hóa trị 3 (với 3
điện tử hóa trị) được thêm vào.
Mỗi nguyên tử hóa trị 3 tạo thành
các liên kết hóa trị với 4 nguyên tử
silicon lân cận ⇒ dẫn đến tồn tại
một lỗ do phải cần đến 4 điện tử.
Nguyên tử hóa trị 3 cần lấy thêm
một điện tử ⇒ nguyên tử nhận.
Hạt mang điện đa số: lỗ.
Hạt mang điện thiểu số: điện tử.
Nguyên tử tạp chất  ion âm
19
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
• Một mối quan hệ quan trọng giữa mật độ điện tử và mật độ lỗ
trong hầu hết các bán dẫn trong thực tế là:

np  ni2
Với: n: mật độ điện tử
p: mật độ lỗ
ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần.

• Một thanh silicon có mật độ điện tử trong bán dẫn thuần là
1.4x1016 điện tử/m3 bị kích tạp bởi các nguyên tử tạp chất cho đến
khi mật độ lỗ là 8.5x1021 lỗ/m3. Độ linh động của điện tử và lỗ là
n=0.14m2/Vs và p=0.05m2/Vs.
20
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
1. Tìm mật độ điện tử trong bán dẫn đã kích tạp chất.

2. Bán dẫn là loại N hay loại P?
3. Tìm điện dẫn suất của bán dẫn đã kích tạp chất.





2

ni2 1.4x1016

10
3
1. n 


2
.
3
x
10
electron
/
m
p
8.5x1021

2. Vì p > n nên vật liệu là bán dẫn loại P.
3.   nq nn  pq p p
 68 S / m

21
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Tiếp giáp P-N
Khi bán dẫn loại N và bán dẫn loại P được ghép với nhau, một tiếp
giáp (junction) PN được hình thành như ở hình dưới đây.
Miền p

Tiếp giáp pn

Miền n

22


Tiếp giáp P-N
Trong miền n, các điện tử tự do ở gần tiếp giáp bắt đầu khuếch tán ngang qua
tiếp giáp vào trong miền p, ở đó các điện tử này kết hợp với các lỗ gần tiếp
giáp ⇒ tạo ra một lớp các điện tích dương.
Trong miền p, khi các điện tử từ miền n di chuyển ngang qua tiếp giáp, các lỗ
trong miền p gần tiếp giáp không
Miền nghèo hạt mang điện đa số
còn nữa ⇒ tạo ra một lớp các
Miền p
Miền n
điện tích âm.
Hai lớp điện tích này tạo
thành miền nghèo hạt
mang điện đa số.

Điện thế rào

23


Tiếp giáp P-N
• Các điện tử tiếp tục khuếch tán đến miền p ngang qua tiếp giáp ⇒
tạo ra thêm nhiều điện tích dương và âm nữa ở gần miền nghèo hạt
mang điện đa số.
• Nhiều điện tích dương và âm trên các phía đối diện của tiếp giáp pn ⇒ hình thành trường điện (electric field).

• Hai loại dòng điện:
•

– Dòng khuếch tán (diffusion current) “hạt mang điện đa số” : gây ra bởi
những hạt mang điện đa số khuếch tán vào trong miền còn lại.
•

– Dòng trôi (drift current) “hạt mang điện thiểu số” : gây ra bởi những
hạt mang điện thiểu số quét ngang qua tiếp giáp do ảnh hưởng của
trường điện.
•

• Hiệu điện thế của trường điện ngang qua miền nghèo hạt mang
điện đa số được gọi là điện thế rào (barrier potential).
• Trạng thái cân bằng được thiết lập khi không còn sự khuếch tán
điện tử nào nữa.
24
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM