Bài giảng học phần Cơ sở vật lý cho tin học - Chương 5: Vật liệu điện

Nội dung text: Bài giảng học phần Cơ sở vật lý cho tin học - Chương 5: Vật liệu điện

1. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện Cấu trúc vùng năng lượng Năng lượng của một nguyên tử độc lập, điện tử có thể nằm ở các mức năng lượng gián đoạn rời rạc nào đó - các mức năng lượng nguyên tử. - Để tạo thành vật liệu, các nguyên tử tiến lại rất gần nhau (cỡ A0), chúng tương tác với nhau làm cho các mức năng lượng rời rạc đó tiến rất gần nhau và suy biến thành nhiều mức năng lượng sát nhau tạo thành vùng năng lượng gần như liên tục.
2. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.1. Khái niệm vật dẫn điện Cấu trúc vùng năng lượng Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Mọi mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (điện tử tự do) , các mức năng lượng đều còn bỏ trống hoặc bị điện tử chiếm chỗ một phần. Điện tử ở vùng này sẽ có khả năng dẫn điện. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp).
3. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện Khái niệm Vật liệu dẫn điện là loại vật chất có vùng hóa trị và vùng dẫn gần nhau có thể chồng chập một phần, không có vùng cấm. Vì vậy ở nhiệt độ bình thường dưới tác dụng của điện trường các điện tử tự do trong vùng hóa trị có thể dễ dàng chuyển sang vùng trống. Vật liệu dẫn điện cho phép dòng điện đi qua.
4. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở “ Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng di chuyển của các hạt điện tích qua một môi trường vật chất khi có lực tác động vào các hạt điện tích”. Độ dẫn điện ký hiệu là  “Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở chuyển động có hướng của các hạt điện tích trong mỗi chất” 0 0 (1 t ) là hệ số nhiệt điện trở của chất 0 0 là điện trở suất của chất nhiệt độ t0 = 20 C Điện trở là đại lượng đặc trưng cho khả năng ngăn cản dòng điện trong mạch và tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện, tỷ lệ thuận với điện trở suất. 1 R R- điện trở của vật dẫn 
5. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở Trong mạch điện điện trở là phần tử tcó đặc điểm ngăn cản dòng điện. l R S  là chiều di dây dẫn điện, S là tiết diện dây dẫn điện, là điện trở suất của dây dẫn điện Điện trở suất của chất dẫn điện 10-8 đến 10-5 m
6. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở Dung sai (sai số) trên điện trở là độ chênh lệch của giá trị thực tế của điện trở so với giá trị đúng (giá trị định danh) tính theo phần trăm RR tt d 100 (%) Rd Dựa vào % dung sai, ta chia điện trở ở 5 cấp chính xác: Cấp 005: có sai số ± 0,5 % Cấp 01: có sai số ± 1 % Cấp I: có sai số ± 5 % Cấp II: có sai số ± 10 % Cấp III: có sai số ± 20 %
7. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở Quy ước cách ghi trên điện trở Ký hiệu cách ghi trên điện trở Ghi dung sai: B=0.1%, C=0.5%, F=1%, G=2%, J=5%, K=10%, M=20% Ghi đơn vị: Chữ E là , chữ K là K, chữ M là M, chữ R tương ứng với điểm thập phân (chẳng hạn 1R2 =1,2) Ví dụ 220E=220 , 0R45= 0,45Ω hoặc R45= 0,45, 100K= 100 K, 47R = 47Ω
8. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở Quy ước cách ghi trên điện trở Quy ước theo vòng màu Loại 3 vòng màu: hai vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở, vòng màu thứ 3 là hệ số nhân Loại 4 vòng màu: hai vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở, vòng màu thứ 3 là hệ số nhân, vòng màu thứ 4 là dung sai Loại 5 vòng màu: ba vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở, vòng màu thứ 4 là hệ số nhân, vòng thứ 5 là dung sai Loại 6 vòng màu: ba vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở, vòng màu thứ 4 là hệ số nhân, vòng thứ 5 là dung sai, vòng thứ 6 là hằng số nhiệt điện trở (TCR)
9. 5.1.2. Độ dẫn điện. Điện trở Ví dụ về cách đọc điện trở ở hình vẽ Ta thấy điện trở đầu tiên có 4 vòng màu là vàng, xanh lá cây (lục), đỏ và hoàng kim. Theo quy ước 2 vòng đầu là chỉ số thực của điện trở thì vàng và lục tương ứng là 4 và 5, vòng thứ ba là hệ số nhân: màu đỏ hệ số nhân là 2, tức là được nhân với 102. Vòng thứ tư màu hoàng kim cho thấy dung sai là 5%. Do vậy, giá trị điện trở là 45.102 tức là 4500  và dung sai là 5%, hay có thể viết là 4K5  dung sai 5%. Lưu ý: Đối với các điện trở có tổng số vòng màu từ 5 trở xuống thì có thể không bị nhầm lẫn vì vị trí bị trống không có vòng màu sẽ được đặt về phía tay phải trước khi đọc giá trị. Còn đối với các điện trở có độ chính xác cao và có thêm tham số thay đổi theo nhiệt độ thì phải để ý vòng màu tham số nhiệt có chiều rộng lớn hơn và phải được xếp về bên tay phải trước khi đọc giá trị của điện trở.
10. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.3. Hiện tượng điện hưởng • Khi đặt một vật dẫn bằng kim loại BC gần một vật mang điện A • Điện trường của vật B C mang điện A sẽ tác dụng lên các electron tự do e- trong vật dẫn BC làm A chúng chuyển dời ngược chiều điện trường Điện tích cảm ứng Kết quả là các electron tự do bị dồn về một đầu vật dẫn, đầu đó tích điện âm, đầu đối diện tích điện dương và hai đầu vật đẫn sẽ mang điện trái dấu. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng điện hưởng
11. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.3. Hiện tượng điện hưởng Điều kiện cân bằng tĩnh điện Khi có hiện tượng điện hưởng, trong lòng vật dẫn tồn tại hai điện trường: Điện trường ngoài do vật B C mang điện gây ra Điện trường phụ do điện tích A cảm ứng ở hai đầu vật dẫn gây ra Hai điện trường , ngược chiều nhau Khi = thì điện trường trong vật dẫn bằng không, các electron trong vật ngừng dịch chuyển, ta nói vật dẫn đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện.
12. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.3. Hiện tượng điện hưởng Điều kiện cân bằng tĩnh điện B C A Như vậy, để đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện (các điện tích trong vật dẫn ở trạng thái cân bằng, không dịch chuyển), phải có các điều kiện: - Véc tơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng không. - Véc tơ cường độ điện trường tại mọi điểm trên bề mặt vật đẫn phải vuông góc với bề mặt.
13. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.3. Hiện tượng điện hưởng Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện  Mọi điểm trên vật đẫn đều có điện thế bằng nhau.  Nếu vật dẫn mang điện thì điện tích chỉ phân bố ở bề mặt của vật dẫn.  Nếu vật dẫn có hình dạng không đều thì điện tích tập trung chủ yếu ở những chỗ lồi của vật.
14. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện Là linh kiện dùng để chứa điện tích (dự trữ năng lượng điện trường). Gồm 2 bản dẫn điện đặt song song ngăn cách nhau bởi 1 lớp cách điện. Q = C.u C gọi là điện dung của tụ điện, u hiệu điện thế trên 2 bản tụ
15. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện “Điện dung của tụ là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ ở một hiệu điện thế xác định và được xác định bằng tỷ số giữa điện tích của tụ và hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện”. Đơn vị của điện dung là Fara (F). Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ là một vôn (1V) thì điện tích của tụ là một Culông (1C). Ngoài ra, ta còn có thể dùng đơn vị điện dung là microfara, nanofara, picofara (mF, nF, pF )
16. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện
17. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện S là diện tích bản tụ, d  0S Đối với tụ phẳng C khoảng cách 2 bản tụ,  , 0 d là hằng số điện môi và hằng số điện Điện dung của tụ trụ Điện dung của tụ cầu Ra là bán kính ngoài của bản trụ trong, Rb bán kính trong của bản trụ ngoài Mặt cắt của tụ trụ và tụ cầu
18. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện dq du iC dt dt - Với dòng không đổi u=U=const nên i=0. Vậy tụ không cho dòng không đổi (1 chiều- DC) đi qua, tụ chỉ cho dòng xoay chiều đi qua được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại có chênh lệch về điện áp một chiều. - Loc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng phẳng. - Nếu dt 0 thì i vô lý. Vì vậy điện áp trên tụ không thể thay đổi đột ngột Tụ dùng để hạn chế xung.
19. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện
20. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.1. Vật liệu dẫn điện 5.1.4. Tụ điện Các tham số kỹ thuật đặc trưng cho tụ điện - Trị số dung lượng C (đơn vị F, pF, .) CC - Dung sai hay sai số của tụ tt d 100 (%) Cd - Điện áp làm việc (Nếu quá thì tụ bị đánh thủng) -Hệ số nhiệt: khoảng nhiệt độ chịu ảnh hưởng (TCC), VD từ -550C 1250C - Dòng điện dò: vì thực tế chất cách điện giữa 2 bản tụ không lý tưởng nên có dòng dò giữa 2 bản tụ điện - Sự phân cực: Đối với tụ điện giải có đánh dấu cực dương và âm, chỉ sử dụng tụ loại này trong trường hợp cần điện áp làm việc có các cực không thay đổi.
21. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.1. Khái niệm EG>6eV 0<EG<6eV Trong các chất điện môi không có các điện tích tự do. Chúng không thể dẫn điện trong điều kiện bình thường. Năng lượng vùng cấm lớn hơn 6eV
22. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.2. Sự phân cực chất điện môi Tính chất quan trọng bậc nhất của chất điện môi là khả năng phân cực của nó dưới tác dụng của điện trường ngoài. Chất điện môi không cực và có cực • Phân tử của bất kỳ vật chất nào của điện môi cũng có cấu tạo từ những nguyên tử. Trong phân tử có các điện tích dương hoặc âm. • Lực liên kết giữa các điện tích xác định tính chất cơ học của vật chất. • Tổng đại số của tất cả các điện tích trong phân tử đều bằng 0, tuy nhiên vị trí các điện tích trong phân tử khác nhau. • Nếu thay tất cả các điện tích dương và điện tích âm bằng một điện tích dương và một điện tích âm tương đương thì vị trí trọng tâm của các điện tích dương và âm có thể trùng nhau hoặc không trùng nhau
23. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.2. Sự phân cực chất điện môi Phân tử H2 là chất điện môi không cực Phân tử H2O là chất điện môi có cực Chất điện môi không cực là chất điện môi ở điều kiện bình thường mỗi phân tử có tâm của các điện tích âm trùng với tâm của các điện tích dương.(H2 ) Chất điện môi có cực là chất điện môi ở điều kiện bình thường mỗi phân tử đã là một lưỡng cực điện (có hai cực âm và dương tích điện trái dấu, bằng nhau về độ lớn, cách nhau một khoảng cách nhỏ). Tâm của các điện tích dương và các điện tích âm không trùng nhau. (NH3, H2O )
24. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.2. Sự phân cực chất điện môi + Do chuyển động nhiệt, các lưỡng cực sắp xếp hỗn loạn nên không tạo ra điện tích trái dấu ở bất kỳ phía nào của khối điện môi + Khi đặt khối điện môi trong điện trường, dưới tác dụng của điện trường các lưỡng cực điện sẽ quay và sắp xếp có trật tự, nằm dọc theo đường sức điện trường. Các cực dương cùng chiều điện trường, các cực âm ngược chiều điện trường.  Kết quả khi được đặt trong điện trường hai đầu khối chất điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu.
25. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.2. Sự phân cực chất điện môi Với chất điện môi không cực (N2 , H2, ) + Ở điều kiện bình thường các phân tử chất điện môi không cực. Nhưng khi đặt khối điện môi trong điện trường, dưới tác dụng của điện trường các phân tử đang từ không có cực trở thành có cực đồng thời sắp xếp có trật tự nằm dọc theo đường sức điện trường. Các cực dương cùng chiều điện trường, các cực âm ngược chiều điện trường. “Hiện tượng phân cực chất điện môi là hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu trên hai đầu thanh chất điện môi khi đặt thanh chất đó trong điện trường ngoài”.
26. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.2. Vật liệu cách điện ( điện môi) 5.2.2. Sự phân cực chất điện môi Khi khối chất điện môi bị phân cực, trong lòng chất điện môi xuất hiện điện trường phụ ngược chiều với điện trường ngoài Điện trường tổng hợp trong lòng chất điện môi là Ý nghĩa: Về độ lớn: Hằng số chất điện môi E = E0 - E¢ < E0 cho biết cường độ E0 Các phép tính chứng tỏ E tỷ lệ với E0 : E = điện trường trong chất e điện môi giảm đi bao Với e là hàng số chất điện môi của môi trường. nhiêu lần so với trong chân không.
27. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.1. Khái niệm -Vật liệu bán dẫn là những vật liệu có tính chất dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện, năng lượng vùng cấm 0 6eV 0<EG<6eV
28. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.1. Khái niệm Tính chất của điện trở suất của chất bán dẫn Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi. Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt. Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất pha vào chất bán dẫn
29. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.1. Khái niệm Chất bán dẫn
30. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn - 5.3.1. Khái niệm - - - - - • Liên kết cộng hóa trị là - Si - liên kết được hình thành - 14 - giữa các nguyên tử bằng - một hay nhiều cặp điện tử - - (electron) chung. -
31. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.1. Khái niệm Electron và lỗ trống T> 0: T=0: - Dao động nhiệt có thể phá vỡ - Tất cả electron nằm trong liên kết cộng hóa trị liên kết cộng hóa trị - Hình thành cặp electron – lỗ - Không có hạt tải điện tự do trống - Cả electron và lỗ trống có thể dịch chuyển trong toàn tinh thể và trở thành hạt tải điện
32. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.2. Các loại chất bán dẫn Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron và lỗ trống Electron và lỗ trống - Ở nhiệt độ thấp các electron (e) hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng tinh thể. Do đó không có hạt tải điện tự do. - Ở nhiệt độ tương đối cao các e thu thêm năng lượng giải phóng khỏi liên kết và trở thành e tự do, đồng thời để lại lỗ trống (liên kết bị bỏ trống). Lỗ trống mang điện dương. Một e nào đó ở gần có thể đến lấp đầy lỗ trống và tạo thành lỗ trống ở vị trí khác. Như vậy lỗ trống cũng có thể bị dịch chuyển. - Khi có điện trường đặt vào e dịch chuyển ngược chiều điện trường, lỗ trống dịch chuyển cùng chiều điện trường gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.
33. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Các lỗ trống Điện tử tự do để lại bởi Ở 0 Kenvin, - - - - không tồn tại điện tử sẽ - Si - - Si - - Si - - Si - điện tử tự do. - - - - mang điện I = 0 - - - - dương - Si - - Si - - Si -+ SiSi - Si - - - - - - - - - - - - Si - - Si - - Si - - Si Si - - - - - - - - - - - - Si - - Si - - Si -+- Si - - - - - - - Si - - Cấu trúc mạng tinh thể Silic Cung cấp nhiệt làm phá vỡ liên kết cộng hóa trị, tại ra các điện tử tự do
34. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.2. Các loại bán dẫn Bán dẫn tinh khiết (Loại i) Là loại bán dẫn có số electron và số lỗ trống bằng nhau Ví dụ: Si (Silic) - Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất pha vào chất bán dẫn nên ta có bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p Là loại bán dẫn có mật độ Là loại bán dẫn có mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống electron nhỏ hơn mật độ lỗ trống Ví dụ: Silic (Si) pha thêm Ví dụ: Silic (Si) pha thêm Boron (B) Photpho (P) hoặc Asen (As)
35. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.2. Các loại bán dẫn
36. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Bán dẫn loại n pha tạp As - - - - - Si - - Si -+- Si - - Si - - - - - - - - - + - - Si - AsSi - - Si -+ SiSi - - Si - - - - - - - - - - - - - AsSi - Si - - AsSi - Si Si - - - - - - - - - - - Si - - Si - - Si -+- Si - - - - - - - Si -• Cấy nguyên tử As vào mạng tinh thể Silic - • As có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, dư 1 điện tử so với Silic • Có thêm nhiều điện tử tự do hơn tham gia vào quá trình dẫn điện • Bán dẫn loại N (n – vì hạt tải điện chủ yếu là điện tích âm)
37. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Bán dẫn loại p pha tạp Boron - - - - - Si - - Si -+- Si - - Si - - - - - - - - + - - Si - - Si - - Si -+ SiSi - Si - - - - - - - + + - - -+- - Si - - Si - - SiB - - Si SiB - - - - - -+- + - - - - Si - - SiB - Si -+- Si - - - - - - Si - • Cấy Boron vào mạng- tinh thể Silic. • Boron có 3 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (ít hơn 1 electron so với silicon) • Hình thành các lỗ trong trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện • Bán dẫn loại P (p – vì hạt tải điện chủ yếu là điện tích dương)
38. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.3. Diode bán dẫn. Mạch chỉnh lưu Lớp tiếp xúc giữa miền bán dẫn loại N và loại P Do sự chênh lệch mật độ hạt tải điện nên quá trình khuếch tán hạt tải điện sẽ diển ra qua lớp tiếp xúc P-N một cách tự động. + electron khuếch tán sang miền P + lỗ trống khuếch tán sang miền N
39. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Si Si B Si B Si Si Si As Si Si B Si Si As Si As Si Si As B Si Si B Si Si Si Si As Si Si Si B Si Si Si Si Si As Si P-type N-type • Hiệu ứng khuếch tán khi chưa có điện trường E – Điện tử và lỗ trống dịch chuyển theo chiều giảm của mật độ. • Chúng hủy lẫn nhau và tạo thành có rất ít hạt tích điện (có điện trở rất lớn). Vùng này có tên là vùng nghèo hạt tải điện tự do và có tác dụng ngăn cản sự chuyển động của các hạt tải điện khác qua lớp tiếp xúc
40. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Tính chất của lớp tiếp xúc • Tại miền tiếp xúc P-N, electron khuếch tán sang miền P còn lỗ trống khuếch tán sang miền N. • Do sự thiếu hụt electron trong miền N dẫn tới trên bề mặt của miền này mang điện tích dương. • Tương tự trên bề mặt của miền P do thiếu hụt lỗ trống nên mang điện tích âm. • Kết quả là sự hình thành điện trường có chiều từ N sang P ngăn cản quá trình khuếch tán của điện tử và lỗ trống
41. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Tính chất vật lý của miền nghèo – Mối liên hệ giữa mật độ tạp chất pha tạp và độ rộng của miền nghèo: D: Donor (Arsen) N Dln N Al p A: Acceptor (Boron) – Độ rộng của miền nghèo được cho bởi: 2  V 2  0 V N A 1 0 N D 1 ln l p e N D (N A N D ) e N A (N A N D ) (V là hiệu điện thế của lớp tiếp xúc PN (V=0,7V))
42. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.3. Diode bán dẫn. Mạch chỉnh lưu Diode là linh kiện bán dẫn có lớp tiếp xúc (lớp chuyển tiếp ) P-N Phân cực thuận: cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm nối với bán dẫn N Thiết lập thế phân cực thuận trên hai +V -V D đầu P-N sẽ thiết lập dòng điện chạy qua p N diod. Phân cực ngược: cực dương của nguồn nối với bán dẫn n, cực âm nối với bán dẫn p, không có dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc • Điện trở lớn - -V +V • Nếu điện thế càng lớn D + điện trường lớn p N • đánh thủng lớp tiếp xúc dòng điện ngược
43. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.3. Diode bán dẫn. Mạch chỉnh lưu
44. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.3. Diode bán dẫn. Mạch chỉnh lưu
45. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.4. Transitor. Mạch khuếnh đại Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực: - Lớp giữa gọi là cực nền (cực gốc) ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. - Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter ) viết tắt là E (có lượng tạp chất lớn nhất), và cực thu hay cực góp (Collector ) viết tắt là C (có lượng tạp chất trung bình). - Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.
46. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.4. Transitor. Mạch khuếnh đại Về kí hiệu Tranzito cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Êmitơ và Bazơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Loại pnp có mũi tên chạy vào, loại npn có mũi tên chạy ra. Chiều mũi tên chỉ chiều dòng điện chạy trong tranzito. Để sử dụng Transistor trong mạch cần phải cấp cho nó một nguồn điện, nguồn điện cung cấp cho Transistor được quy ước là nguồn cấp cho cực CE.
47. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.4. Transitor. Mạch khuếch đại Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp một chiều (cung cấp điện trường) tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho tranzito. Ở chế độ khuếch đại của tranzito thì mối nối B-E phải được phân cực thuận (cỡ 0,7V với Si và cỡ 0,3V với Ge ). Do tác dụng của điện trường làm cho các hạt tải điện cơ bản xuất phát đi ra cùng chiều điện trường. Mối B-C phân cực ngược để nhờ điện trường gia tốc lôi kéo tập trung các hạt này chạy đến cực thu C. Dù là loại tranzito npn hay pnp thì nguyên tắc hoạt động đều tương tự như nhau. Chẳng hạn ta xét: Với transitor npn,
48. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.4. Transitor. Mạch khuếch đại Tại cực E nồng độ tạp chất cao, lại được phân cực thuận nên các điện tử dễ dàng vượt qua lớp tiếp giáp B-E để vào cực B. Vì cực nền B hẹp và mật độ tạp chất ít (lỗ trống ít) nên số ít các điện tử tái hợp lỗ trống tại đây, một số ít đi ra khỏi cực nền B hình thành dòng IB nhỏ. Còn lại phần lớn điện tử dưới tác dụng của điện trường tạo bởi phân cực ngược tại lớp tiếp giáp B-C lôi kéo chúng khuếch tán vào cực thu C. Các điện tử đi qua cực thu C về cực dương của nguồn điện áp ngoài mà ta đang cấp cho cực thu, từ đó hình thành dòng Ic lớn hơn nhiều dòng IB. Do vậy, theo bảo toàn năng lượng điện tích ta suy ra
49. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn 5.3.4. Transitor. Mạch khuếch đại Để đánh giá mức độ hao hụt dòng điện khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản khi tràn qua miền B, người ta đưa ra hệ số truyền đạt Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC người ta dùng hệ số khuếch đại . Suy ra
50. Chương 5. Vật liệu điện Bài 5.3. Vật liệu bán dẫn Cách kiểm tra Transitor . Phép đo cho biết Transitor bị đứt BE Phép đo cho thấy Transtor bị chập CE