Embed Size (px)
Citation preview
1
GIỚI THIỆU MÔN HỌC
Tên môn học : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C
Phân phối giờ : 60 tiết (lý thuyết: 45 tiết, bài tập: 15 tiết)
Sô$ tín chỉ : 3 – Giữa kỳ: 30% Cuối kỳ: 70% (tự luận)
Tài liệu tham khảo :[1] Theodore F.Bogart, JR - Electronic devices and Circuits
2nd Ed. , Macmillan 1991
[2] Millman & Taub - Pulse digital and switching waveformsMcGraw-Hill
[3] Savant, Rodent, Carpenter - Electronic Design – Circuits and Systems
[4] Lê Phi Yến, Nguyễn Như Anh, Lưu Phú- Kỹ thuật điện tửNXB Khoa học ky$ thuật
[5] Nguyễn Như Anh -Kỹ thuật số 1 NXB ĐHQG Tp.HCM
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Giới thiệu về bán dẫnChương 2: Diode bán dẫnChương 3: BJTChương 4: FETChương 5: Mạch khuếch đại dùng transistorChương 6: Op-amp và ứng dụngChương 7: Hệ thống số và mãChương 8: Đại số Boole và các cổng logicChương 9: Tối thiểu hóa hàm BooleChương 10: Hệ tổ hợpChương 11: Hệ tuần tự đồng bộChương 12: Bộ nhớ, PLD và FPGAChương 13: Các họ IC số và giao tiếp giữa chúng
Chng 1GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN
- Dựa trên tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điệnmà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt.
- Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít cácelectron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạo thànhelectron tự do và đạt đến trạng thái bền vững.
- Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoàicùng của nó để có trạng thái bền vững.
- Vật liệu bán dẫn, có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tmthi bằng cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng.
- Các chất bán dẫn điển hình như Germanium (Ge), Silicium (Si),.. là những nguyên tô> thuộc nhóm 4 nằm trong bảng hêA thống tuần hoàn.
1.1 Vật liệu bán dẫn
Ví du vê nguyên t bán dn Silicon (Si)
Nguyên tử bán dẫn Si, có 4 electron ở lớp ngoài cùng.
một nửa liênkết hóa trị
Hạt nhân
liên kếthóa trị
Liên k#t hóa tr' trong tinh thê(
bán dn Si
1.2 Dòng điện trong chất bán dẫn
- Trong vật liệu dẫn điện có rất nhiều electron tự do.
- Khi ở điều kiện môi trường, nếu được hấp thu một năng lượng nhiệt cácelectron này sẽ được giải phóng khỏi nguyên tử.
- 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 một cáchtương tưA.
- Tuy nhiên, năng lượng cần để giải phóng các electron này lớn hơn đốivới 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 nguyêntử.
1.2 Dòng điện trong chất bán dẫn
Gi*n đô năng l.ng
Giản đồ vùng năng lượngcủa một số vật liệu.
conduction band: vùng dẫn. Vùng dẫn là vùng năng lượng của các electron tự do.forbidden band: vùng cấm. Vùng mà không có electron nào mang năng lượng.valence band: vùng hóa trị. Vùng hóa trị là vùng của các electron nằm trong lớp vỏ ngoài cùng.
2
Nh0n xét
- Số electron tự do trong vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và do đóđộ dẫn điện của vật liệu cũng vậy.
- Nhiệt độ càng cao thì năng lượng của các electron càng lớn.
- Vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm.
- Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương.
1.2.1 Lô5 tr6ng và dòng lô5 tr6ng
- Vật liệu bán dẫn tồn tại mộtdạng hạt dẫn khác ngoài electron tự do.
- Một electron tự do xuất hiện thìđồng thời nó cũng sinh ra một lỗtrống (hole).
-Lỗ trống được qui ước là hạt dẫnmang điện tích dương.
-Dòng di chuyển có hướng của lôY trống được gọi là dòng lỗ trốngtrong bán dẫn.
-Khi lỗ trống di chuyển từ phảisang trái cũng đồng nghĩa vớiviệc các electron lớp vỏ ngoàicùng di chuyển từ trái sang phải.
1.2.1 Lô5 tr6ng và dòng lô5 tr6ng
- Có thể phân tích dòng điện trong bán dẫn thành hai dòng electron.
- Để tiện lợi ta thường xem như dòng điện trong bán dẫn là do dòngelectron và dòng lỗ trống gây ra.
- Ta thường gọi electron tự do và lỗ trống là hạt dẫn vì chúng có khả năngchuyển động có hướng để sinh ra dòng điện.
- Khi một electron tự do và lỗ trống kết hợp lại với nhau trong vùng hóa trị, các hạt dẫn bị mất đi, và ta gọi quá trình này là quá trình tái hợp hạt dẫn.
- Việc phá vỡ một liên kết hóa trị sẽ tạo ra một electron tự do và một lỗtrống, do đó số lượng lỗ trống sẽ luôn bằng số lượng electron tự do. Bándẫn này được gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn nội tại (intrinsic).
- Ta có: ni = pini: mật đôA eletron (electron/cm
3)
pi: mật đôA lôY trống (lôY trống/cm3)
1.2.2 Dòng trôi
- Khi một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu bán dẫn, điện trường sẽ làmcho các electron tự do di chuyển ngược chiều điện trường và các lỗ trốngdi chuyển cùng chiều điện trường.
- Cả hai sự di chuyển này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có chiềucùng chiều điện trường được gọi là dòng trôi (drift current).
- Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di chuyển của hạt dẫn trong bándẫn, khả năng di chuyển được đánh giá bằng độ linh động của hạt dẫn. Độlinh động này phụ thuộc vào loại hạt dẫn cũng như loại vật liệu.
Silicon Germanium
( )20.14 m Vsnµ = ( )20.38 m Vsnµ =
( )20.05 m Vspµ = ( )20.18 m Vspµ =
1.2.2 Dòng trôi
- Vận tốc của hạt dẫn trong điện trường E:
- Mật độ dòng điện J:
n p n n p p n n p pJ J J nq E pq E nq v pq vµ µ= + = + = +
Với: J mật độ dòng điện, (A/m2) , E cường đôA điện trường(V/m)
n, p mật độ electron tự do và lỗ trống, (hạt dẫn/m3)
đơn vị điện tích electron =
độ linh động của electron tự do và lỗ trống (m2/Vs)
vận tốc electron tự do và lỗ trống, (m/s)
,n pq q = 191.6 10 C−×
,n pµ µ =,n pv v =
pp
nn
.Ev
.Ev
µ=
µ=
Ví du 1-1
Một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu của một thanh bán dẫn thuần
trong hình veY. Giả sử : là electron/cm3
Tìm: ;
1. Vận tốc electron tự do và lỗ trống;
2. Mật độ dòng electron tự do và lỗ trống;
3. Mật độ dòng tổng cộng;
4. Dòng tổng cộng trong thanh bán dẫn.
101.5 10in = ×( )20.05 m Vspµ =( )20.14 m V snµ =
3
Hướng dẫn
2. Vì vật liệu là thuần nên:
1. Ta có:
3.
( )( )3 3 4 220 10 m 20 10 m 4 10 m− − −× × = ×
Dòng điện:
s/m10.Ev
s/m10x8.2.Ev
m/V10.2d/UE
2pp
2nn
3
=µ=
=µ=
==
2
2
3610310
/24.0..
/672.0..
)(/10/105.1)/(105.1
mAvqpJ
mAvqnJ
mcmnp
ppip
nnin
ii
==
==
×=×== −
2pn m/A912.024.0672.0JJJ =+=+=
4. Tiết diện ngang của thanh là :
mA365.0)m10x4).(m/A912.0(S.JI 242 === −
M<t sô> lu ý
- Điện trở có thể được tính bằng cách dùng công thức:
- Điện dẫn, đơn vị siemens (S), được định nghĩa là nghịch đảo của điệntrở, và điện dẫn suất, đơn vị S/m, là nghịch đảo của điện trở suất:
- Điện dẫn suất của vật liệu bán dẫn có thể được tính theo công thức:
n n p pnq pqσ µ µ= +
S
lR ρ=
ρ=σ1
Ví du 1-2
1. Tính điện dẫn suất và điện trở suất của thanh bán dẫn trong ví dụ 1-1.
2. Dùng kết quả của câu 1 để tìm dòng trong thanh bán dẫn khi điện áptrên hai đầu của thanh là .
HAng dn1. Vì bán dẫn thuần nên:
n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /cm3 , qn = qp = 1.6 x 10
-19 C
2.
m98.21921
m/S10x56.4
qpqn4
ppnn
Ω=σ
=ρ
=σ
µ+µ=σ−
mA365.0R
UI
K98.32S
lR
==
Ω=ρ=
1.2.3 Dòng khu#ch tán
- Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt dẫn thì các hạt dẫnsẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi cómật độ hạt dẫn thấp hơn nhằm cân bằng mật độ hạt dẫn.
- Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn. Dòngđiện này được gọi là dòng khuếch tán (diffusion current).
- Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn) trừ khi sựchênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn.
1.2.3 Dòng khu#ch tán 1.3 Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
Bán dẫn thuần (Bán dẫn loại i):
Mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ trống:
ni=pini: mật độ điện tử tự do (electron/cm3)
pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3)
Điện tử tự do có điện tích là: –q
Lỗ trống có điện tích là: +q
Điện tử tự do và lỗ trống là hạt dẫntạo ra dòng điệnkhi chuyển động có hướng.
4
Cách thCc to ra bán dn loi N
CDu trúc tinh thFbán dn chCa m<tnguyên t donor.
Ht nhân cHadonor ký hiIu là D.
Bán dẫn loại N=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm 5
Ví dụ: Si+phosphore, Ge+AsenicTạp chất này cung cấp điện tửtạp chất cho (tạp chất donor)
Tính chDt cHa bán dn loi N
nd=Nd
nd: nồng độ điện tử tự do được cung cấp bởi tạp chất donor
Nd: nồng độ tạp chất donor
nn=Nd+pnnn: tổng nồng độ điện tử tự do trong bán dẫn loại N
pn: nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N
nn>>pnnn≈≈≈≈Nd
nn.pn=ni2
ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần
Nhận xét: trong bán dẫn loại N thì hạt dẫn đa số là điện tử, hạt dẫn thiểu số là lỗ trống.
Khi toàn bộ các nguyên tử tạp chất được ion hóa:
Cách thCc to ra bán dn loi P
CDu trúc tinh thFbán dn có chCam<t nguyên tacceptor.
Nguyên tacceptor đ.cký hiIu là A.
Bán dẫn loại P=Bán dẫn thuần+Tạp chất nhóm 3Ví dụ: Si+Bore, Ge+Indium
Tạp chất này nhận điện tửtạp chất nhận (tạp chất acceptor)
Tính chDt cHa bán dn loi P
pa=Na
pa: nồng độ lỗ trống được cung cấp bởi tạp chất acceptor
Na: nồng độ tạp chất acceptor
pp=Na+np
pp: tổng nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại P
np: nồng độ điện tử tự do trong bán dẫn loại P
pp>>nppp≈≈≈≈Nanp.pp=ni2
ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần
Nhận xét: trong bán dẫn loại P thì hạt dẫn đa số là lỗ trống, hạt dẫn thiểu số là điện tử.
Khi toàn bộ các nguyên tử tạp chất được ion hóa:
Nh0n xét
- Trong bán dẫn loại N, electron tự do là hạt dẫn đa số (hoặchạt dẫn chủ yếu), lỗ trống là hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫnthứ yếu).
- Trong hầu hết các bán dẫn trong thực tế thì:
2inp n=
Với: n: mật đô electron
p: mật đô lô trống
ni: mật đô electron trong bán dẫn thuần.
- Trong bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt dẫn đa số (hoặc hạtdẫn chủ yếu), electron tự do là hạt dẫn thiểu số (hoặc hạtdẫn thứ yếu).
Ví du 1-3
Một thanh silicon có mật độ electron trong bán dẫn thuần làelectron/m3 bị kích thích bởi các nguyên tử tạp chất cho đến khi mật độ lỗtrống là lỗ trống/m3. Độ linh động của electron và lỗ trống là
và .1. Tìm mật độ electron trong bán dẫn đã pha tạp chất.2. Bán dẫn là loại N hay loại P?3. Tìm độ dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất.
161.4 10×
218.5 10×( )20.14 m Vsnµ = ( )20.05 m Vspµ =
Hướng dẫn
( )216210 3
21
1.4 102.3 10 electron/m
8.5 10innp
×= = = ×
×
1.
2. Vì p > n nên vật liệu là loại P.
3.
( )( ) ( ) ( )( )( )10 19 21 19
10
2.3 10 0.14 1.6 10 8.5 10 0.05 1.6 10
5.152 10 68 68 S/m
n n p pn q p qσ µ µ− −
−
= +
= × × + × ×
= × + ≈
5
1.4 Chuyển tiếp PN
Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N
AAA
AAA
AAA
DDD
DDD
DDD
h h h
h h h
h h h
e e e
e e e
e e e
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
1.4 Chuyển tiếp PN
1.4 Chuyển tiếp PN 1.4 Chuyển tiếp PN
- Hiệu điện thế tồn tại ở hai bên chuyển tiếp được gọi là hiệu điện thếhàng rào (barrier).
-Với:
k: hằng sô> Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K
T: nhiệt đôA tuyệt đối K
q: đơn vị điện tích = 1.6 x 10-19 C
Na: nồng đôA tạp chất acceptor trong bán dẫn loại P
Nd: nồng đôA tạp chất donor trong bán dẫn loại N
ni: mật đôA hạt dẫn trong bán dẫn thuần.
- Để thể hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thế vào nhiệt độ, người ta đưara khái niệm điện thế nhiệt:
===⇒=
20 lni
daTtxT
n
NNVVVV
q
kTV γ
===
20 lni
datx n
NN
q
kTVVV γ
Ví du 1-4
Một chuyển tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022 acceptor/m3 vàbán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm điện thế nhiệt và điện thế hàngrào tại 25°C. Cho ni = 1.5 x 10 16 electron/m3.
Hướng dẫn
Áp dụng:
với: T = 25 + 273 = 298°K
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10 -19C
VT = 25.7 mV
V0= 0.635 V
q
kTVT =
=
20
.ln.
i
daT
n
NNVV
Điện thêt hàng rào:
1.5 Phân cực chuyển tiếp PN
6
1.5 Phân cực chuyển tiếp PN
Quan hI dòng – áp trong chuyFn ti#p PN dAi phân cRc thu0n và phân cRc ng.c.
ĐTc tuy#n Volt-Ampe
V
1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN
Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng: nhiệt và điện.
- Đánh thủng vê điện được phân làm 2 loại: đánh thủng thác luu(avalanching) và đánh thủng xuyên hầm (tunnel)
- Biên độ của dòng ngược khi V≈VBR (breakdown voltage) có thể đượctính bằng biểu thức sau:
n
BR
S
VV
1
II
−
=
với n là hằng số được xác định từ thực nghiệm.
- Đánh thủng vê nhiệt xảy ra do sưA tích lũy nhiệt trong vùng nghèo hạt dẫn.
(Dòng IS tăng gấp đối khi nhiệt đôA tăng 10°C)
1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN
Quan hệ của diode chothấy sự gia tăng đột ngộtcủa dòng khi áp gần đến
điện áp đánh thủng.
1.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phân cực
Sự gia tăng của nhiệtđộ làm cho đặc tuyến
dịch sang trái.
Ví du 1-5
Một diode silicon có dòng bão hòa là 0.1 pA ở 20°C . Tìm dòng điện qua nó khi được phân cực thuận ở 0,55V. Tìm dòng trong diode khi nhiệt độtăng lên đến 100 °C.
Hướng dẫn
Ở T = 20°C⇒ VT = 0.02527V
V > 0.5V ⇒ m = 1 (diode silicon) ⇒ I = 0.283 mA
Ở T = 100°C⇒ VT = 0.03217V
Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng Is được nhân đôi 8 lần, do đó Is tại 100
oC lớn gấp 256 lần Is tại 20oC:
( )13 0.55 0.03217256 10 1 0.681 mAI e−= × − =
