51
Chương 3
CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN
3.1 CƠ CHẾ BÁN DẪN
3.1.1. Bán dẫn thuần
Các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep như
Gecmani(Ge), Silic(Si) là những nguyên tố có 4 điện tử lớp ngoài cùng. Ở điều
kiện bình thường các điện tử đó tham gia liên kết hoá trị
trong mạng tinh thể nên chúng không dẫn điện . Hình 3.1
trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể
Gecmani,trong đó mỗi nguyên tử đem 4 điện tử ngoài cùng
của nó góp với 4 điện tử của 4 nguyên tử khác tạo thành
các cặp điện tử hoá trị ( ký hiệu bằng dấu chấm đậm ). Khi
được kích thích bằng năng lượng từ bên ngoài , một số điện
tử có thể bứt ra khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do dẫn
điện như trong kim loại. Như vậy chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện. Bán dẫn
như vậy gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn đơn chất.
3.1.2. Bán dẫn tạp .
Nhừng bán dẫn thuần như trên dẫn điện không tốt.Để tăng khả năng dẫn
điện của bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn thuần để được bán dẫn
mới có nồng độ các hạt dẫn cao gọi là bán dẫn tạp.Bán dẫn tạp có 2 loại là loịa n
và loại p
a. Bán dẫn loại cho n.
Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V của bảng hệ thống tuần hoàn Medeleep
vào bán dẫn thuần thì một nguyên tử tạp chất với 5 nguyên tử lớp ngoài cùng sẽ có
4 điện tử tham gia liên kết với 4 nguyên tử bán dẫn , còn lại là một điện tử tự do.
Ví dụ trên hình 3.2 là bán dẫn Gecmani (ký hiệu Ge) được trộn với asen (As). Tạp
chất ở đây đã cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho ”, ký hiệu là n. Hạt dẫn
điện (hay gọi là động tử)chính ở bán dẫn loại “cho ” n là điện tử với mật độ n
n
.
P
. Ngha l p
P
n
P
v n
n
>p
n
.
3.1.3. Mt s hin tng vt lý trong bỏn dn
Trong bỏn dn tp cng nh bỏn dn thun din ra mt s quỏ trỡnh vt lý
nh hng n tớnh cht dn in ca chỳng. Ta xột cỏc hin tng ú.
a. Hin tng ion hoỏ nguyờn t
Khi nguyờn t b ion hoỏ s phỏt sinh cỏc ht dn t do. Kt qu nghiờn cu
cho thy tớch s ca hai nng ht dn chớnh v ph trong bt c mt bỏn dn tp
no iu kin cõn bng l mt hng s:
n
P
.p
P
= n
n
.p
n
= const (3.1)
T(3.1) ta thy nu tng nng ca ht dn loi ny lờn bao nhiờu ln thỡ
nng ca ht dn loi kia s gim i by nhiờu ln. Nh vy mun thay i
nng ca ng t (ht dn) trong bỏn dn tp ta cn thay i nng ng t
trong bỏn dn thun.
Ge
As
Ge Ge
Ge
Ge
Ge
điện tử
tự do
Hình3.2 Cấu tạo bán dẫn n
53
Trong bán dẫn loại n, sự giảm nồng độ lỗ trống theo thời gian ( sự tái hợp
của lỗ trống với điện tử trong điều kiện nồng độ điện tử cao) là ∆p(t) thì
∆p(t) = ∆P(0)
p
e
τ
−
1
(3.2)
Trong đó ∆P(0) - lượng lỗ trống tại thời điểm t = 0 ( là thời điểm sau quá
trình sinh hạt.
τ
P
- thời gian sống của lỗ trống trong bán dẫn loại n. Nó được định nghĩa là
khoảng thời gian mà lượng lỗ trống giảm đi e lần.
Tương tự trong bán dẫn loại P :
∆n(t) = ∆n(0)
n
e
τ
, µ
P
- là các hệ số gọi là độ linh động của điện tử và lỗ trống.
d. Chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn:
Do sự chênh lệch về nồng độ mà các hạt dẫn sẽ khuếch tán từ nơi có nồng
độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, tạo thành dòng khuếch tán I
kt
. Mật độ của
dòng khuếch tán theo phương giảm của nồng độ có dạng:
I
ktn
= q.D
n
.
dx
dn
(3.5)
I
ktp
= q.D
P
.
dx
dp
(3.6)
D
n
, D
P
- các hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống
này là miền điện tích không gian hay miền nghèo động tử vì hầu như không có
động tử . Miền này có tính dẫn điện đặc biệt gọi là mặt ghép điện tử lỗ trống hay
mặt ghép n-p.
Sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống không phải diễn ra vô hạn. Khi hình
thành hai lớp điện tử trái dấu thì nghiễm nhiên đã hình thành một điện trường
hướng từ bán dẫn n sang bán dẫn p gọi là điện trường tiếp xúc U
tx
(hình 3.4a).
Bề dày của lớp nghèo động tử này là l
0
= l
0P
+ l
0n
,phụ thuộc vào nồng độ tạp
chất. Nếu nồng độ tạp chất ở hai miền là như nhau thì l
0P
= l
0n
. Thông thường một
mặt ghép chế tạo với nồng độ lỗ trống ở p lớn hơn nồng độ điện tử ở n nên l
0n
>> l
0P
. Điện trường tiếp xúc U
tx
có chiều cản các hạt dẫn chính nhưng lại gây ra dòng
trôi của các hạt dẫn phụ, có chiều ngược lại với chiều của dòng khuếch tán. Quá
trình này tiếp diễn cho đến khi dòng khuếch tán bằng dòng trôi thì dòng qua mặt
ghép sẽ bằng không. Đến đây coi như đã hình thành xong mặt ghép n-p. Ở điều
b. mặt ghép n-p phân cực ngược:
Nếu ta đổi chiều nguồn ngoài như ở hình 3.4c thì trường ngoài sẽ cùng
chiều với trường tiếp xúc làm dòng khuếch tán giảm, dòng trôi tăng. Tuy nhiên
dòng trôi chỉ tăng chút ít vì nồng độ của các hạt dẫn phụ nhỏ, tạo thành một dòng
ngược nhỏ. Lúc này có thể coi là mặt ghép đóng (ngắt) với bề rộng của miền tiếp
xúc lúc này tăng lên l > l
0
.
Như vậy mặt ghép n-p dẫn điện theo một chiều như một van điện, khi được
phân cực thuận thì dòng thuận lớn, khi phân cực ngược thì dòng ngược rất nhỏ.
3.3. ĐIÔT BÁN DẪN
3.3.1.Cấu tạo của điôt bán dẫn
Điôt bán dẫn được cấu tạo từ một mặt ghép n-p
với mục đích sử dụng nó như một van điện . Tuỳ theo
diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp n và p mà
người ta gọi là điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt. Ở điôt
tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại
hầu như chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện
dung ký sinh của mặt ghép để điôt có thể làm việc được ở tần số cao. Điôt tiếp
điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện như tách sóng, điều
chế, biến tần ...Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp n
và p có điện tích đủ lớn nhằm chịu được dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục
đích chỉnh lưu.
Trong sơ đồ nguyên lý điôt thông thường được ký hiệu như ở hình 3.5a,
còn hình 3.5b là ký hiệu của điôt ổn áp. Trên ký hiệu A-anot- cực dương ứng với
lớp p, K-catot - cực âm ứng với bán dẫn loại n.
3.3.2. Đặc tính von - ampe (V/A) của điôt
56
Đặc tính V/A của điôt là quan hệ giữa dòng điện qua điôt và điện áp một
chiều đặt lên nó. Sơ đồ để lấy đặc tính mắc như ở hình 3.6a .Nếu nguồn được mắc
-6
A/cm
2
với điôt Gecmani) và
phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.Ở đoạn AB dòng điện tăng vọt vì điện áp phân
cực ngược đủ lớn để phá vỡ các liên kết hoá trị. Lúc này các điện tử hoá trị nhảy
từ mức hoá trị lên mức dẫn, điôt mất tính chất van điện. Người ta nói mặt ghép lúc
này bị đánh thủng về điện . Hiện tượng đánh thủng này xảy ra do hai hiệu ứng :
- Ion hoá do va chạm : Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường
mạnh nên chúng va chạm với các nút mạng tinh thể , làm cho các mối liên kết giữa
các nguyên tử biến dạng hoặc bị ion hoá tạo thành các cặp điện tử và lỗ trống mới.
Các cặp này lại tiếp tục va chạm gây nên hiện tượng ion hoá mới. Kết quả là các
điện tử và lỗ trống tăng lên theo kiểu “thác lũ” , nên đánh thủng này gọi là đánh
thủng thác lũ.
- Hiệu ứng xuyên hầm (hiệu ứng tunen) : Khi điện trường ngược lớn có thể
phá vỡ các mối liên kết nguyên tử trong vùng hoá trị tạo thành các điện tử và lỗ
trống tham gia dẫn điện .Điều này tương ứng với các điện tử từ vùng hoá trị vượt
lên vùng dẫn xuyên qua vùng cấm, gọi là sự xuyên hầm .
Khi đánh thủng về điện, dòng điện ngược tăng lên đáng kể trong khi điện áp
hầu như không tăng .
R
H×nh3.6.
a)S¬ ®å lÊy ®Æc tÝnh cña diot
b) §Æc tÝnh Von-Ampe cña diot
E
b)
U
I
0
A
tương đương với một tụ điện gọi là
điện dung mặt ghép n-p . Ở tần số cao lớp điện dung này quyết định tốc độ đóng
mở của điôt khi nó làm việc như một khoá điện, tức là điện dung mặt ghép n-p
quyết định f
max
.
6. Điện trở một chiều R
0
được xác định tại một điểm trên đặc tuyến (hình
3.7-tại điểm M):
R
0M
=
M
M
I
U
(3.9)
R
0 M
= cotg β.
7. Điện trở xoay chiều R của diôt được xác định tại một điểm trên đặc tuyến:
R =
dI
dU
= cotgα. (3.10)
S =
dU
dI
=
ba lớp bán dẫn tạp khác tính nên nó có thể là p-n-p hoặc n-p-n (hình 3.8) .Loại
tranzisto p-n-p có cấu trúc và ký hiệu như ở hình 3.8a gọi là tranzisto thuận, loại
n-p-n hình 3.8b gọi là tranzisto ngược.
Hai loại tranzisto này có cấu tạo khác nhau nhưng nguyên lý làm việc tương
tự nhau . Sự khác nhau ở đây là phân cực nguồn cho hai loại tranzisto này ngược
tính nhau. Vì vậy chỉ cần xét nguyên lý làm việc của một loại là có thể suy ra loại
kia. Ví dụ ta xét cấu tạo và nguyên lý làm việc cuả tranzisto thuận p-n-p.
Cấu tạo của một tranzisto trình bày trên hình 3.9a.Miền bán dẫn p thứ nhất
gọi là cực phát E - cực Emitơ , đó là miền có nồng độ tạp chất lớn, tức là nồng độ
lỗ trống lớn để phát ra lỗ trống. Miền thứ hai là miền n gọi là miền cực gốc B hay
cực bazơ . Miền này vừa mỏng (cỡ vài µm) lại vừa nghèo điện tử (nồng độ tạp
chất nhỏ). Miền thứ ba là miền cực góp hay cực colectơ hay cực C có nồng độ
tạp chất trung bình.
p
p
n
E
B
C
n
n
p
E
B
C
E
E
BB
C
C
nhiều so với độ dài khuếch
tán của hạt dẫn.
Để cho tranzisto thuận làm việc ta phân cực(cấp nguồn) nó như ở hình 3.10.
Với cách đấu nguồn như vậy mặt ghép Emitơ được phân cực thuận(thông ),mặt
ghép colectơ phân cực ngược (đóng).Vì mặt ghép Emitơ phân cực thuận nên lỗ
trống từ miền E phun vào miền Bazơ. Các lỗ trống này tạo nên dòng cực phát I
E
.
Các hạt này vào miền bazơ trở thành hạt thiểu số ( hạt dẫn phụ của bazơ) và đi sâu
vào miền bazơ hướng tới mặt ghép colectơ. Trên đường đi một số tái hợp với điện
tử (hạt đa số) tạo nên dòng bazơ I
B
còn lại đa số đạt tới mặt ghép colectơ vì miền
bazơ rất mỏng(tức là đã xẩy ra hiệu ứng "tranzit"). Tới đây nó bị trường gia tốc
của cực colectơ (do mặt ghép colectơ phân cực ngược ) cuốn sang miền cực góp
tạo thành dòng cực góp I
C
(
*
)
. Như vậy : I
E
= I
B
+I
C
(3.12)
Tuy nhiên trong thành phần dòng colectơ còn có dòng ngược của mặt ghép
I
I
C
B
E
_
+
_
+
_
+
_
+
E
E
E
E
E
E
B
B
B
B
C
C
C
C
C
E
B
β1
β
β1
β
β
β
+
=
+
I
I(3.16)
α =
β1
β
+
và β =
α
1
1
−
Tất cả các kết luận trên đều đúng cho tranzisto ngược.
Phân cực cho tranzisto ngược n-p-n có chiều ngược với hình 3.10
3.4.2.Họ đặc tuyến tĩnh của tranzisto.
Các quan hệ dòng-áp trong tranzisto ở chế độ không có tín hiệu gọi là các
đặc tuyến tĩnh
của nó. Các họ
đặc tính tĩnh
I
2
U
2
= f
2
(I
1
,I
2
) = r
21
I
1
+ r
22
I
2
(3.17)
Hệ phương trình điện dẫn :
I
1
= g
1
(U
1
, U
2
) = g
11
I
U
2
U
2
2
I
I
1
1
U
a)
61
I
2
= g
2
(U
1
, U
2
) = g
21
U
1
+ g
22
U
2
(3.18)
+ h
22
U
2
Trong đó r
ij
, g
ij
, h
ij
, tương ứng là điện trở điện dẫn và tham số hỗn hợp của
tranzisto:
constI
dI
U
R
=
∂
=
2
1
1
11
= h
11
- Điện trở vi phân đầu vào của tranzisto
constI
I
u
I
g
=
∂
∂
=
2
1
2
21
= 1/r
12
=S-hỗ dẫn thuận (truyền đạt của tranzisto )
Để xác định các tham số trên người ta dựng họ đặc tuyến tĩnh của
tranzisto(bằng thực nghiệm).Họ đặc tuyến tĩnh của tranzisto thiết lập các quan hệ
giữa các dòng điện và điện áp của tranzisto trong chế độ không có tín hiệu (chế độ
tĩnh ). Họ này xác định theo hệ (3.19) là tiện hơn cả:
Họ đặc tuyến vào U
1
= f(I
1
) khi U
2
= const;Họ đặc tuyến hồi tiếp U
1
= f(U
2
) khi I
1
= const;Họ đặc tuyến truyền
E
C
+
R
2
R
1
H×nh 3.12 S¬ ®å lÊy ®Æc tuyªn cña tranzisto thuËn
µ
A
V
1
V
2
62
tuyến theo sơ đồ được thực hiện bằng các phép đô trong phòng thí nghiệm hình
3.12 (tranzisto công suất nhỏ ). Trong sơ đồ này µA-microampe kế dùng để đo
dòng bazơ I
B
C
= const
Để lấy họ đặc tuyến vào ta giữ cho điện áp U
CE
(để đơn giản gọi là U
C
)
không thay đổi, ghi các giá trị I
B
và U
B
tương ứng vào bảng. Thay đổi giá trị U
C
rồi
lặp lại phép đo ta được đường cong thứ hai (hình 3.13a). Đặc tuyến này giống như
đặc tuyến của điốt khi phân cực thuận. Thật vậy I
B
là một phần của dòng I
E
chảy
qua mặt ghép Emitơ phân cực thuận. Ứng với một U
B
nhất định dòng I
B
càng nhỏ
I
B
µA
U
C
C
=2v 2
1 I
B
=20µA
I
β
µA 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I
C
V
Hình3.13 a) Đặc tuyến vào c-b)Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra .
63
khi U
C
càng lớn vì điện áp U
C
càng lớn thì số hạt bị cuốn sang miền cực C càng
lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ và đến được cực B càng ít nên dòng I
B
nhỏ đi. Vì vậy khi tăng U
C
(trị tuyệt đối) họ đặc tuyến dịch sang phải.
b. Đặc tuyến ra : Là đặc tuyến I
C
= f(U
C
) khi I
B
EB
+U
BC
.
Điểm uốn của đườngđặc tuyến ứng với U
BC
= 0 .Lúc này dù trường U
C
đủ
nhỏ vẫn mau chóng làm dòng thuận ( U
CE
< U
EB
) gọi là chế độ bão hoà.Khi U
CE
>
U
EB
tranzisto chuyển sang chế độ khuếch đại. Ở chế độ này các đường đặc tuyến
ra gần như song song nhau. Nếu tiếp tục tăng U
CE
thì dòng I
C
càng lớn ,tranzisto sẽ
bị đánh thủng.
c. Đặc tuyến truyền đạt : I
C
= f(I
B
) khi U
tử tuyến tính . Để tiện phân tích mạch chứa tranzisto người ta thường dùng hai
dạng sơ đồ tương đương của tranzisto sau đây:
Sơ đồ tương đương thứ nhất dựa vào hệ phương trình tham số H . Ở chế độ
hình sin ta có hệ (3.19)
U
1
= h
11e
I
1
+ h
12e
U
2
(3.19).
I
2
= h
21e
I
1
+ h
22e
U
2
Các tham số có thêm ký hiệu “e” để chỉ sơ đồ emitơ chung. Các tham số h
ije
có thể xác định trực tiếp trên các họ đặc tuyến của tranzisto như ở hình 3.14a.
h
−
12
12
= r
be
–
r
be
-điện trở đầu vào của tranzisto ở chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ.
r
be
= r
B
+ β.r
d
64
Copyright: Tài liệu đại học ©