Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn

[daqianvn]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn


Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator)



1-1 Cấu trúc nguyên tửTrước khi bắt đầu tìm hiểu các linh kiện điện tử ta phải hiểu vật liệu chế tạo nên chúng. Kiến thức về vật liệu ở mức độ cấu trúc sẽ giúp ta dự đoán và điều khiển các dòng điện tích có trong vật liệu. Ta sẽ bắt đầu bằng việc xem xét cấu trúc nguyên tử để xem cấu trúc này ảnh hưởng như thế nào lên tính chất điện của vật liệu.
Như đã biết mọi vật liệu đều được tạo nên từ các nguyên tử và các nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có cấu trúc như nhau. Mỗi nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở trung tâm chứa các điện tích dương mà ta gọi là proton. Hạt nhân được bao xung quanh bởi các electron mang điện tích âm. Số lượng electron bằng với số lượng proton trong hạt nhân và vì điện tích của proton và electron là bằng nhau nên nguyên tử trung hòa về điện. Tùy theo loại nguyên tố, các hạt nhân của nguyên tử có thể chứa các neutron không mang điện tích.
Hình 1-1(a) biểu diễn sơ đồ cấu trúc một nguyên tử của nguyên tố silicon, vật liệu thường được sử dụng để chế tạo các linh kiện bán dẫn. Hình này cho thấy hạt nhân chứa 14 proton (mang điện tích dương) và 14 neutron, và vì nguyên tử có 14 electron (mang điện tích âm) quay xung quanh nên nguyên tử trung hòa về điện. Các electron được sắp xếp vào ba quĩ đạo xung quanh hạt nhân. Ta nói các electron này chiếm một lớp vỏ nguyên tử. Mỗi lớp vỏ nguyên tử không thể chứa nhiều hơn một số tối đa các electron. Nếu đánh số thứ tự của bốn lớp vỏ đầu tiên bắt đầu từ lớp trong cùng (lớp gần hạt nhân nhất có số thứ tự là 1) thì số electron tối đa [SUB][/SUB] mà lớp vỏ [SUB][/SUB] có thể chứa là
[SUB][/SUB] (1-1)
Trong hình 1-1(a), lớp vỏ số 1 (lớp K) đã được lấp đầy vì nó đã chứa 2 electron. Lớp 2 (lớp L) cũng đã được lấp đầy vì nó chứa 8 electron. Tuy nhiên, lớp 3 (lớp M) chưa được lấp đầy vì nó chỉ mới chứa 4 electron trong khi khả năng chứa tối đa của nó là 18 electron.

Mỗi lớp vỏ nguyên tử lại được chia thành các lớp con. Lớp vỏ thứ [SUB][/SUB] chứa [SUB][/SUB] lớp con. Lớp con đầu tiên trong một lớp vỏ chứa 2 electron, các lớp con tiếp theo chứa nhiều hơn lớp con trước đó 4 electron. Các lớp con được ký hiệu là [SUB][/SUB].
Ví dụ 1-1
Hạt nhân của nguyên tử germanium có 32 proton. Xác định số electron trong mỗi lớp và lớp con của nó.
Hướng dẫn
Vì hạt nhân chứa 32 proton nên nguyên tử có 32 electron. Bảng sau cho thấy sự sắp xếp của các electron trong nguyên tử Ge.


[TABLE]
[TR]
[TD]Lớp vỏ[/TD]
[TD]Lớp con[/TD]
[TD]Dung lượng[/TD]
[TD]Chứa thật sự[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]K[/TD]
[TD]s[/TD]
[TD]2[/TD]
[TD]2[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]L[/TD]
[TD]s[/TD]
[TD]2[/TD]
[TD]2[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p[/TD]
[TD]6[/TD]
[TD]6[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]M[/TD]
[TD]s[/TD]
[TD]2[/TD]
[TD]2[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p[/TD]
[TD]6[/TD]
[TD]6
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]d[/TD]
[TD]10[/TD]
[TD]10[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]N[/TD]
[TD]s[/TD]
[TD]2[/TD]
[TD]2[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p[/TD]
[TD]6[/TD]
[TD]2[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]d[/TD]
[TD]10[/TD]
[TD]0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]f[/TD]
[TD]14[/TD]
[TD]0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD]Tổng cộng[/TD]
[TD]32[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Không phải mọi electron đều bị ràng buộc mãi mãi vào một lớp hoặc lớp con của nó. Mặc dù các electron có khuynh hướng giữ nguyên lớp của chúng do lực hút giữa chúng và hạt nhân mang điện tích dương, nhưng nếu chúng hấp thu đủ năng lượng (ví dụ từ nhiệt), các electron sẽ thoát ra khỏi nguyên tử và trở thành các electron tự do. Chất dẫn điện có nhiều electron tự do trong khi chất cách điện có rất ít electron tự do.
Lớp vỏ ngoài cùng chứa các electron có liên kết yếu nhất với hạt nhân và thường chưa được lấp đầy do đó chúng dễ trở thành các electron tự do hơn các electron nằm trong các lớp vỏ gần hạt nhân. Chính vì vậy, số electron trong lớp vỏ ngoài cùng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện của vật liệu. Vật liệu dẫn điện có rất ít electron trong lớp vỏ ngoài cùng, và trong các vật liệu này, năng lượng nhiệt có sẵn ở nhiệt độ phòng là đủ để giải phóng các electron trong lớp vỏ ngoài cùng thành các electron tự do. Khi có một điện trường ngoài đặt lên vật liệu, các electron tự do này di chuyển có hướng tạo ra dòng điện. Đối với vật liệu cách điện, lớp vỏ ngoài cùng thường liên kết chặt với hạt nhân, do đó chúng có rất ít electron tự do.
Vì ta chỉ quan tâm đến lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử nên ta thường sử dụng hình 1-1(b) để biểu diễn cấu trúc của nguyên tử.
1-2 Vật liệu bán dẫn
Xét trên khả năng dẫn điện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. Hơn nữa, cách thức tạo ra dòng điện trong bán dẫn cũng không thể giải thích hoàn toàn bằng kiến thức đã biết trong các vật liệu khác.
Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạo thành electron tự do và đạt đến trạng thái bền vững. Trong khi đó, vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoài cùng của nó để có trạng thái bền vững. Đối với vật liệu bán dẫn, nó có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời bằng cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng. Ví dụ đối với nguyên tử bán dẫn Si, lớp con [SUB][/SUB] của lớp vỏ ngoài cùng chỉ chứa 2 electron, do đó để lấp đầy lớp con này nguyên tử cần nhận thêm bốn electron. Nguyên tử bán dẫn thực hiện điều này bằng cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngoài cùng của nó với bốn electron của bốn nguyên tử lân cận. Tất cả các nguyên tử đều thực hiện liên kết này và tạo nên một cấu trúc ổn định, bền vững, được gọi là tinh thể bán dẫn.

Liên kết do hai electron lớp ngoài cùng của hai nguyên tử lân cận tạo thành được gọi là liên kết hóa trị (covalent bond). Hình 1-2 cho thấy cấu trúc hai chiều của tinh thể bán dẫn. Trong hình này ta sử dụng mô hình nguyên tử đơn giản, bao gồm hạt nhân và các electron lớp vỏ ngoài cùng. Mặc dù chỉ một số nguyên tử được vẽ trong hình nhưng ta cần hiểu là cấu trúc này được lặp lại cho tất cả các nguyên tử, và do đó, các nguyên tử trong bán dẫn đều có tám electron lớp ngoài cùng, tức là chúng đạt đến trạng thái ổn định tạm thời.
Ge là một loại vật liệu bán dẫn khác. Trong ví dụ 1-1, ta đã thấy rằng nguyên tử Ge chứa bốn electron lớp ngoài cùng, trong đó lớp [SUB][/SUB] chứa hai electron. Do đó, nó cũng có khuynh hướng tạo liên kết hóa trị để đạt đến trạng thái bền vững tạm thời.
1-3 Dòng điện trong bán dẫn
Như đã biết, trong vật liệu dẫn điện có rất nhiều electron tự do. Các electron này được giải phóng khỏi nguyên tử bằng cách hấp thu năng lượng, thường là năng lượng nhiệt có ở nhiệt độ môi trường. Khi các electron này chuyển động có hướng sẽ sinh ra dòng điện. Đối với vật liệu bán dẫn, các electron tự do cũng được sinh ra cùng một cách. Tuy nhiên, năng lượng cần để giải phóng các electron này lớn hơn đối với vật liệu dẫn điện vì chúng bị ràng buộc bởi các liên kết hóa trị. Năng lượng này phải đủ lớn để phá vỡ liên kết hóa trị giữa các nguyên tử.
Thuyết lượng tử cho phép ta nhìn mô hình nguyên tử dựa trên năng lượng của nó, thường được biểu diễn dưới dạng giản đồ năng lượng. Đơn vị năng lượng qui ước trong các giản đồ này là electronvolt (eV). Theo thuyết này, một electron khi muốn trở thành một electron tự do phải hấp thu đủ một lượng năng lượng xác định. Năng lượng này phụ thuộc vào dạng nguyên tử và lớp mà electron này đang chiếm. Các electron trong lớp vỏ ngoài cùng đã có sẵn một lượng năng lượng đáng kể, do đó chỉ cần nhận thêm một lượng năng lượng tương đối nhỏ là đủ để giải phóng chúng. Các electron ở các lớp bên trong có ít năng lượng hơn do bị ràng buộc với hạt nhân nhiều hơn, do đó chúng cần phải nhận một lượng năng lượng rất lớn mới có thể trở thành electron tự do. Các electron cũng có thể di chuyển từ lớp bên trong đến lớp bên ngoài trong nguyên tử bằng cách nhận thêm một lượng năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng giữa hai lớp. Ngược lại, các electron cũng có thể mất năng lượng và trở lại với các lớp có mức năng lượng thấp hơn. Các electron tự do cũng vậy, chúng có thể giải phóng năng lượng và trở lại lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử.
Khi nhìn trên một nguyên tử, các electron trong nguyên tử sẽ được sắp xếp vào các mức năng lượng rời rạc nhau tùy thuộc vào lớp và lớp con mà electron này chiếm. Các mức năng lượng này giống nhau cho mọi nguyên tử. Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn bộ vật liệu, mỗi nguyên tử còn chịu ảnh hưởng từ các tác động khác nhau bên ngoài nguyên tử. Do đó, mức năng lượng của các electron trong cùng lớp và lớp con có thể không còn bằng nhau giữa các nguyên tử. Kết quả là các mức năng lượng trong một nguyên tử trở thành các vùng năng lượng. Một vùng năng lượng là tập hợp của các mức năng lượng rời rạc xấp xỉ nhau của một lớp và lớp con. Hình 1-3 trình bày giản đồ năng lượng. Vùng dẫn là vùng năng lượng của các electron tự do. Vùng hóa trị là vùng của các electron nằm trong lớp vỏ ngoài cùng, chúng mang năng lượng thấp hơn so với vùng dẫn. Giữa hai vùng này là vùng cấm, đây là vùng mà không có electron nào mang năng lượng nằm trong vùng này. Bề rộng của vùng dẫn chính là lượng năng lượng mà một electron của nguyên tử phải hấp thu khi muốn trở thành một electron tự do. Trong hình 1-3(a), vật liệu cách điện có bề rộng vùng cấm lớn, điều đó có nghĩa là một electron phải hấp thu một năng lượng rất lớn khi muốn tạo thành electron tự do. Chính vì vậy, vật liệu cách điện có rất ít electron tự do. Ví dụ đối với Carbon, bề rộng vùng cấm là [SUB][/SUB]. Ngược lại vật liệu dẫn điện có bề rộng vùng cấm rất hẹp như được trình bày trong hình 1-3(d). Bề rộng này có thể nhỏ hơn [SUB][/SUB] hoặc thậm chí không tồn tại. Đối với vật liệu bán dẫn, bề rộng vùng cấm phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 1-3(b) và 1-3(c) cho thấy bề rộng vùng cấm của Si và Ge ở nhiệt độ phòng, chúng xấp xỉ [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB].

Như đã thấy trong phần trước, số electron tự do trong vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và do đó độ dẫn điện của vật liệu cũng vậy. Nhiệt độ càng cao thì năng lượng của các electron càng lớn. Ở nhiệt độ không tuyệt đối ([SUB][/SUB], tức là [SUB][/SUB]), tất cả các electron có năng lượng là không. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bắt đầu hấp thu năng lượng nhiệt và nếu năng lượng này đủ để vượt qua vùng cấm thì nó trở thành electron tự do. Đối với vật liệu bán dẫn, điều này có nghĩa là độ dẫn điện tăng theo nhiệt độ, điện trở giảm theo nhiệt độ, tức là vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm. Mặc dù trong vật liệu dẫn điện, số electron tự do cũng gia tăng theo nhiệt độ như trong bán dẫn, tuy nhiên sự gia tăng này là quá lớn, do đó sẽ dẫn tới việc xuất hiện một số lượng hạt dẫn khổng lồ bên trong vật liệu dẫn điện và kết quả là chúng cản trở lẫn nhau trong quá trình chuyển động để tạo ra dòng điện. Kết quả là vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương.