Bài giảng điện tử cơ bản - Chương 4

Học xong bài này học viên có khả năng:Hiểu được cấu trúc vật lý của các chất bán dẫn.Nắm vững bản chất vật lý sự hình thành và đặc trưng của tiếp giáp p-n – phần tử cơ bản của các linh kiện bán dẫn.Biết sử dụng các loại diode trong các mạch điện tử chức năng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng điện tử cơ bản - Chương 4CHƯƠNG IV: CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN DIODE BÁN DẪN MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong bài này học viên có khả năng: - Hiểu được cấu trúc vật lý của các chất bán dẫn. - Nắm vững bản chất vật lý sự hình thành và đặc trưng của tiếp giáp p-n – phần tử cơ bản của các linh kiện bán dẫn. - Biết sử dụng các loại diode trong các mạch điện tử chức năng. I. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN Đặc tính của chất bán dẫn1. Điện trở suấta. Hai chất bán dẫn thông dụng là Silicium vàGermanium có điện trở suất là: ρSi = 1014 Ωmm2/m ρGe = 8,9.1012 Ωmm2/m Ảnh hưởng của nhiệt độb. Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theonhiệt độ, khi nhiệt độ tăng cao thì điện trở của chất bándẫn giảm xuống.c. Ảnh hưởng của ánh sáng Chất bán dẫn có trị số điện trở rất lớn khi bị che tối, khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở giảm xuống.d. Ảnh hưởng của độ tinh khiết Một khối chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn, nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ rất thấp các chất thích hợp thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt. Tỉ lệ pha càng cao thì điện trở giảm càng nhỏ. 2. Chất bán dẫn thuần Tinh thể silicon là một bán dẫn thuần nếu nhưmọi nguyên tử trong tinh thể đều là nguyên tửSilicon. Trong chất bán dẫn thuần, năng lượng nhiệt tạora một cặp điện tử tự do và lỗ trống bằng nhau. Điện tử tự do và lỗ trống thường được gọi là hạttải điện.3. Chất bán dẫn loại N (Negative)• Khi pha thêm vào chất bán dẫn nguyên chất một lượng rất ít tạp chất nguyên tố nhóm 5 chẳng hạn pha arsenic (As) vào Ge, phosphorus (P) vào Si thì trong số 5 điện tử của vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất P thì có 4 điện tử tham gia liên kết hóa trị với các nguyên tử lân cận. Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, chỉ một năng lượng nhỏ cũng giúp điện tử này thoát khỏi ràng buộc và trở thành electron tự do, nguyên tử tạp chất trở thành ion dương. Như vậy tạp chất nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn nguyên chất nên gọi là tạp chất cho (donor). Vì điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số nên chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn điện tử - loại n4. Chất bán dẫn loại P ( Positive)• Nếu pha thêm vào chất bán dẫn nguyên chất 1 lượng rất ít tạp chất nguyên tố nhóm III [Indium (In) vào Ge, boron (B) vào Si], do lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể chỉ có 3 mối liên kết hoàn chỉnh còn liên kết thứ 4 bị hở. Chỉ cần một năng lượng nhỏ, một trong những điện tử của mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở này. Nguyên tử tạp chất trở thành ion âm tức là xuất hiện 1 lỗ trống. Như vậy tạp chất nhóm III nhận điện tử từ chất cơ bản để sản sinh các lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor) Vì lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số nên chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn lỗ trống – loại p DIODE BÁN DẪNII. Cấu tạo1.• Diode bán dẫn có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn loại P và loại N ghép nối tiếp nhau tạo thành một mối nối P- N. Mối nối này nhạy cảm với tác động của điện, quang, nhiệt.• Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, vùng loại N có nhiều e tự do. Khi hai vùng tiếp xúc với nhau sẽ có một số e từ vùng N qua mối nối sang vùng P tái hợp với lỗ trống. Trong vùng N ở gần mối nối bị mất e thì sẽ trở thành mang điện tích dương (ion dương), vùng P ở gần mối nối nhận thêm e trở thành mang điện tích âm (ion âm). Hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy không cho e từ vùng N sang nữa..Sự chênh lệch về điện tích ở hai bên mối nốinhư vậy gọi là hàng rào điện áp.KÍ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE2. Nguyên lý vận chuyển của Diode a. Phân cực ngược Diode• Khi đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P, điện tích dương của nguồn sẽ hút e của vùng N làm cho lỗ trống và e ở hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên không xảy ra hiện tượng tái hợp giữa e và lỗ trống. Tuy nhiên, trong trường hợp này vẫn có 1 dòng điện rất nhỏ chạy qua D với trị số khoảng vài nA. Dòng điện này gọi là dòng bão hòa nghịch (dòng điện rỉ - IS) phát sinh do sự tái hợp giữa các hạt tải thiểu số gây ra. b. Phân cực thuận Diode Khi đó: Điện tích dương của nguồn sẽ đẩy các lỗ trốngcủa vùng P, điện tích âm của nguồn sẽ đẩy e của vùng Nlàm cho lỗ trống và e lại gần mối nối hơn, và khi lực đẩyNhư vậy đã có một dòng e chạy liên tục từcực âm của nguồn, qua vùng N, sang vùngP, về cực dương của nguồn, hay nói cáchkhác là có dòng điện chạy qua D theochiều từ P sang N.3. Đặc tuyến volt – Ampe của diode Khi PCT Diode với nguồn biến đổi được, người ...