Giáo trình Linh kiện điện tử
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Lời nói đầu
*********
Linh kiện điện tử là kiến thức bước đầu và căn bản của ngành điện tử.
Giáo trình được biên soạn từ các bài giảng của tác giả trong nhiều năm qua tại Khoa
Công Nghệ và Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Cần Thơ và các Trung Tâm Giáo dục
thường xuyên ở đồng bằng sông Cửu Long sau quá trình sửa chữa và cập nhật.
Giáo trình chủ yếu dùng cho sinh viên chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông và Tự Động
Hóa. Các sinh viên khối Kỹ thuật và những ai ham thích điện tử cũng tìm thấy ở đây nhiều điều
bổ ích.
Giáo trình bao gồm 9 chương:
Từ chương 1 đến chương 3: Nhắc lại một số kiến thức căn bản về vật lý vi mô, các mức
năng lượng và dải năng lượng trong cấu trúc của kim loại và chất bán dẫn điện và dùng nó như
chìa khóa để khảo sát các linh kiện điện tử.
Từ chương 4 đến chương 8: Đây là đối tượng chính của giáo trình. Trong các chương này,
ta khảo sát cấu tạo, cơ chế hoạt động và các đặc tính chủ yếu của các linh kiện điện tử thông
dụng. Các linh kiện quá đặc biệt và ít thông dụng được giới thiệu ngắn gọn mà không đi vào
phân giải.
Chương 9: Giới thiệu sự hình thành và phát triển của vi mạch.
Người viết chân thành cảm ơn anh Nguyễn Trung Lập, Giảng viên chính của Bộ môn Viễn
Thông và Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Cần Thơ đã đọc kỹ bản
thảo và cho nhiều ý kiến quý báu.
Cần Thơ, tháng 12 năm 2003
Trương Văn Tám
Trang 1
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Mục lục
Chương I..........................................................................................................................................................................................4
MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG.........................................................................................................................4
I. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG:.................................................................................................................4
II. PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG:.............................................................................6
III. DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS) ........................................................................................................................8
Chương II ......................................................................................................................................................................................12
SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI...........................................................................................................................................12
I. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT:..................................................................................................................................12
II. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG:............................................14
III. THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI:.....................................................................................................................................15
IV. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: ..................................................................................................18
V. CÔNG RA (HÀM CÔNG):................................................................................................................................................20
VI. ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ): .................................................................................................................................21
Chương III.....................................................................................................................................................................................22
CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN ...............................................................................................................................................................22
I. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM: ........................................................................................................22
II. CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CÓ CHẤT PHA: ...................................................................................................24
1. Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) ...............................................................................................................24
2. Chất bán dẫn loại P:.........................................................................................................................................................25
3. Chất bán dẫn hỗn hợp:.....................................................................................................................................................26
III. DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN:...............................................................................................................................27
IV. CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: ...........................................................................................................29
V. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC:..........................................................................................................................................30
Chương IV.....................................................................................................................................................................................32
NỐI P-N VÀ DIODE.....................................................................................................................................................................32
I. CẤU TẠO CỦA NỐI P-N:.................................................................................................................................................32
II. DÒNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: .............................................................................................34
1. Nối P-N được phân cực thuận:.........................................................................................................................................35
2. Nối P-N khi được phân cực nghịch: ................................................................................................................................38
III. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N:..............................................................................................................40
IV. NỘI TRỞ CỦA NỐI P-N. ..................................................................................................................................................41
1. Nội trở tĩnh: (Static resistance)........................................................................................................................................41
2. Nội trở động của nối P-N: (Dynamic Resistance)............................................................................................................42
V. ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N. ............................................................................................................................................44
1. Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối)...........................................................................................................................44
2. Điện dung khuếch tán. (Difusion capacitance) ................................................................................................................45
VI. CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG.................................................................................................................................45
1. Diode chỉnh lưu: ..............................................................................................................................................................45
4. Diode ổn áp (diode Zenner):............................................................................................................................................54
5. Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode)..................................................................................................................57
6. Diode hầm (Tunnel diode)...............................................................................................................................................58
Bài tập cuối chương ......................................................................................................................................................................59
Chương V.......................................................................................................................................................................................61
TRANSISTOR LƯỠNG CỰC.....................................................................................................................................................61
I. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT..........................................................................................................................................61
II. TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC. ....................................................................................................61
III. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC. .........................................................................................63
IV. CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DÒNG ĐIỆN..........................................................................................64
V. DÒNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR. ........................................................................................................................66
VI. ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR............................................................................................................................67
1. Mắc theo kiểu cực nền chung: .........................................................................................................................................68
2. Mắc theo kiểu cực phát chung. ........................................................................................................................................69
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến của BJT. .......................................................................................................72
VII. ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU...............................................................................73
VIII. KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT. .............................................................................................................................78
Trang 2
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
IX. BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU..................................................................................................................................80
1. Mô hình của BJT: ............................................................................................................................................................80
2. Điện dẫn truyền (transconductance) ................................................................................................................................82
3. Tổng trở vào của transistor:.............................................................................................................................................83
4. Hiệu ứng Early (Early effect) ..........................................................................................................................................85
5. Mạch tương đương xoay chiều của BJT: .........................................................................................................................86
Bài tập cuối chương ......................................................................................................................................................................90
CHƯƠNG 6 ...................................................................................................................................................................................91
TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG..................................................................................................................................................91
I. CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET:....................................................................................................................................91
II. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA JFET:.................................................................................................................................93
III. ĐẶC TUYẾN TRUYỀN CỦA JFET. ................................................................................................................................99
IV. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET................................................................................................................100
V. MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE MOSFET)...................................................................................102
VI. MOSFET LOẠI TĂNG (ENHANCEMENT MOSFET: E-MOSFET) ............................................................................107
VII. XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH:...................................................................................................................................111
VIII. FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ........................................113
IX. ĐIỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA JFET VÀ DEMOSFET........................................................117
X. ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET. .......................................................................................................................118
XI. TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET.........................................................................................................119
XII. CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS).......................................................................................................................120
XIII. MOSFET CÔNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS..............................................................................................................122
1. V-MOS:.........................................................................................................................................................................122
2. D-MOS:.........................................................................................................................................................................123
Bài tập cuối chương ....................................................................................................................................................................125
CHƯƠNG VII .............................................................................................................................................................................126
LINH KIỆN CÓ BỐN LỚP BÁN DẪN PNPN VÀ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC ...............................................................126
I. SCR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER).....................................................................................126
1. Cấu tạo và đặc tính: .......................................................................................................................................................126
2. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR:.................................................................................................................................128
3. Các thông số của SCR: ..................................................................................................................................................129
4. SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều............................................................................................................................130
5. Vài ứng dụng đơn giản: .................................................................................................................................................131
II. TRIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH).....................................................................................................133
III. SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH). ................................................................................................................135
IV. DIAC ................................................................................................................................................................................136
V. DIOD SHOCKLEY..........................................................................................................................................................137
VI. GTO (GATE TURN – OFF SWITCH). ...........................................................................................................................138
VII. UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐỘC NỐI). ............................................................................140
1. Cấu tạo và đặc tính của UJT:.........................................................................................................................................140
2. Các thông số kỹ thuật của UJT và vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh: ................................................................................143
3. Ứng dụng đơn giản của UJT:.........................................................................................................................................144
CHƯƠNG VIII............................................................................................................................................................................148
LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ................................................................................................................................................148
I. ÁNH SÁNG. ....................................................................................................................................................................148
II. QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE)................................................................................................................149
III. QUANG DIOD (PHOTODIODE)....................................................................................................................................151
IV. QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR)........................................................................................................152
V. DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE)............................................................................................154
VI. NỐI QUANG....................................................................................................................................................................155
CHƯƠNG IX...............................................................................................................................................................................157
SƠ LƯỢC VỀ IC ........................................................................................................................................................................157
I. KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ..............................................................................157
II. CÁC LOẠI IC. .................................................................................................................................................................159
1. IC màng (film IC):.........................................................................................................................................................159
2. IC đơn tính thể (Monolithic IC):....................................................................................................................................159
3. IC lai (hibrid IC)............................................................................................................................................................160
III. SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ. ...............................................................................160
IV. IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG).............................................................................................162
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................................................................................163
Trang 3
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Chương I
MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG
Trong chương này chủ yếu nhắc lại các kiến thức cơ bản về cơ học nguyên lượng,
sự phân bố điện tử trong nguyên tử theo năng lượng, từ đó hình thành dải năng lượng
trong tinh thể chất bán dẫn. Để học chương này, sinh viên chỉ cần có kiến thức tương đối
về vật lý và hóa học đại cương. Mục tiêu cần đạt được là hiểu được ý nghĩa của dải dẫn
điện, dải hóa trị và dải cấm, từ đó phân biệt được các chất dẫn điện, bán dẫn điện và cách
điện.
I. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG:
Ta biết rằng vật chất được cấu tạo từ những nguyên tử (đó là thành phần nhỏ nhất
của nguyên tố mà còn giữ nguyên tính chất của nguyên tố đó). Theo mô hình của nhà vật
lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có một nhân mang điện tích dương
(Proton mang điện tích dương và Neutron trung hoà về điện) và một số điện tử (electron)
mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân và chịu tác động bởi lực hút của nhân.
Nguyên tử luôn luôn trung hòa điện tích, số electron quay chung quanh nhân bằng số
proton chứa trong nhân - điện tích của một proton bằng điện tích một electron nhưng trái
dấu). Điện tích của một electron là -1,602.10-19Coulomb, điều này có nghĩa là để có được
1 Coulomb điện tích phải có 6,242.1018 electron. điện tích của điện tử có thể đo được trực
tiếp nhưng khối lượng của điện tử không thể đo trực tiếp được. Tuy nhiên, người ta có
thể đo được tỉ số giữa điện tích và khối lượng (e/m), từ đó suy ra được khối lượng của
điện tử là:
mo=9,1.10-31Kg
Đó là khối lượng của điện tử khi nó chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc
ánh sáng (c=3.108m/s). Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng của điện tử được tính
theo công thức Lorentz-Einstein:
mo
me =
v2
c2
1−
Mỗi điện tử chuyển động trên một đường tròn và chịu một gia tốc xuyên tâm. Theo
thuyết điện từ thì khi chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát ra năng lượng. Sự mất
năng lượng này làm cho quỹ đạo của điện tử nhỏ dần và sau một thời gian ngắn, điện tử
sẽ rơi vào nhân. Nhưng trong thực tế, các hệ thống này là một hệ thống bền theo thời
gian. Do đó, giả thuyết của Rutherford không đứng vững.
Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) đã bổ túc bằng các giả thuyết
sau:
Trang 4
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Có những quỹ đạo đặt biệt, trên đó điện tử có thể di chuyển mà không phát ra năng
lượng. Tương ứng với mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng nhất định. Ta có một quỹ đạo
dừng.
Khi điện tử di chuyển từ một quỹ đạo tương ứng với mức năng lượng w1 sang quỹ
đạo khác tương ứng với mức năng lượng w2 thì sẽ có hiện tượng bức xạ hay hấp thu năng
lượng. Tần số của bức xạ (hay hấp thu) này là:
w2 − w1
f =
h
Trong đó, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck).
h
Trong mỗi quỹ đạo dừng, moment động lượng của điện tử bằng bội số của
= h
2π
h
Moment động lượng: m.v.r = n.
= nh
2π
v
-e
r
+e
Hình 1
Với giả thuyết trên, người ta đã dự đoán được các mức năng lượng của nguyên tử
hydro và giải thích được quang phổ vạch của Hydro, nhưng không giải thích được đối với
những nguyên tử có nhiều điện tử. Nhận thấy sự đối tính giữa sóng và hạt, Louis de
Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho rằng có thể liên kết mỗi hạt điện khối lượng m, chuyển
h
động với vận tốc v một bước sóng λ =
.
mv
Tổng hợp tất cả giả thuyết trên là môn cơ học nguyên lượng, khả dĩ có thể giải thích
được các hiện tượng quan sát được ở cấp nguyên tử.
Phương trình căn bản của môn cơ học nguyên lượng là phương trình Schrodinger
được viết như sau:
h2
−
∇ϕ + (E − U)ϕ = 0
2.m
∇ là toán tử Laplacien
Trang 5
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
δ2ϕ δ2ϕ δ2ϕ
∇ϕ =
+
+
δx2 δy2 δz2
E: năng lượng toàn phần
U: thế năng
(E-U): động năng
ϕ là một hàm số gọi là hàm số sóng. Hàm số này xác định xác suất tìm thấy hạt điện
trong miền không gian đang khảo sát.
Trong khi giải phương trình Schrodinger để tìm năng lượng của những điện tử trong
một nguyên tử duy nhất, người ta thấy rằng mỗi trạng thái năng lượng của electron phụ
thuộc vào 4 số nguyên gọi là 4 số nguyên lượng:
Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính)
Xác định kích thước của quỹ đạo n=1,2,3,…7
Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ)
Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3,…,n-1
Số nguyên lượng từ:
Xác định phương hướng của quỹ đạo ml=0,±1, …, m l
Số nguyên lượng Spin:
1
1
2
Xác định chiều quay của electron ms = + và -
2
Trong một hệ thống gồm nhiều nguyên tử, các số nguyên lượng tuân theo nguyên lý
ngoại trừ Pauli. Nguyên lý này cho rằng: trong một hệ thống không thể có 2 trạng thái
nguyên lượng giống nhau, nghĩa là không thể có hai điện tử có 4 số nguyên lượng hoàn
toàn giống nhau.
II. PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO
NĂNG LƯỢNG:
Tất cả các nguyên tử có cùng số nguên lượng chính hợp thành một tầng có tên là
K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7.
Ở mỗi tầng, các điện tử có cùng số l tạo thành các phụ tầng có tên s,p,d,f tương ứng
với l=0,1,2,3
Tầng K (n=1) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử.
Tầng L (n=2) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử và một phụ tầng p có tối đa 6 điện tử.
Tầng M (n=3) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử) và một
phụ tầng d (tối đa 10 điện tử).
Tầng N (n=4) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử), một
phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) và một phụ tầng f (tối đa 14 điện tử).
Như vậy: Tầng K có tối đa 2 điện tử.
Trang 6
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Tầng L có tối đa 8 điện tử.
Tầng M có tối đa 18 điện tử.
Tầng N có tối đa 32 điện tử.
Các tầng O,P,Q cũng có 4 phụ tầng và cũng có tối đa 32 điện tử.
Ứng với mỗi phụ tầng có một mức năng lượng và các mức năng lượng được xếp
theo thứ tự như sau:
1
2
3
4
5
6
7
1s
2s
3s
4s
5s
6s
7s
2p
3p
3d
4p
4d
5p
5d
5f
6p
6d
6f
7p
7d
7f
4f
Hình 2
Khi không bị kích thích, các trạng thái năng lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần
nhân hơn) khi hết chỗ mới sang mức cao hơn (xa nhân hơn). Thí dụ: nguyên tử Na có số
điện tử z=11, có các phụ tầng 1s,2s,2p bị các điện tử chiếm hoàn toàn nhưng chỉ có 1
điện tử chiếm phụ tầng 3s.
Cách biểu diễn:
Theo mẫu của Bohr
Theo mức năng lượng
NATRI
Na11 1s2 2s2 2p6 3s1
Na
+11
Na 2-8-1
Trang 7
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
SILICIUM
Si14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Si
+14
Si 2-8-4
GERMANIUM
Ge32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2
Ge
+32
Ge 2-8-18-4
Hình 3
Lớp bảo hòa: Một phụ tầng bảo hòa khi có đủ số điện tử tối đa.
Một tầng bảo hòa khi mọi phụ tầng đã bảo hòa. Một tầng bảo hòa rất bền, không
nhận thêm và cũng khó mất điện tử.
Tầng ngoài cùng: Trong một nguyên tử, tầng ngoài cùng không bao giờ chứa quá 8
điện tử. Nguyên tử có 8 điện tử ở tầng ngoài cùng đều bền vững (trường hợp các khí trơ).
Các điện tử ở tầng ngoài cùng quyết định hầu hết tính chất hóa học của một nguyên
tố.
III. DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS)
Những công trình khảo cứu ở tia X chứng tỏ rằng hầu hết các chất bán dẫn đều ở
dạng kết tinh.
Trang 8
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Ta xét một mạng tinh thể gồm N nguyên tử thuộc nhóm 4A, thí dụ C6. Ta tưởng
tượng rằng có thể thay đổi được khoảng cách giữa các nguyên tử mà không thay đổi cấu
tạo căn bản của tinh thể. Nếu các nguyên tử cách nhau một khoảng d1 sao cho tác động
lẫn nhau không đáng kể thì các mức năng lượng của chúng trùng với các mức năng lượng
của một nguyên tử độc nhất. Hai phụ tầng ngoài cùng có 2 điện tử s và 2 điện tử p
(C6=1s22s22p2). Do đó, nếu ta không để ý đến các tầng trong, ta có 2N điện tử chiếm tất
cả 2N trạng thái s và có cùng mức năng lượng; Ta cũng có 2N điện tử p chiếm 2N trạng
thái p. Vậy có 4N trạng thái p chưa bị chiếm. Giả sử khoảng cách giữa các nguyên tử
được thu nhỏ hơn thành d2, tác dụng của một nguyên tử bất kỳ lên các nguyên tử lân cận
trở thành quan trọng.
Năng lượng E
4N trạng thái
chưa bị chiếm
6N trạng thái p
(2N trạng thái bị chiếm)
Dải dẫn điện
2p
Dải cấm EG
Dải cấm
4N trạng thái bị chiếm
2s
2N trạng thái s
bị chiếm
Dải hóa trị
d4
d0
d3
d2
d1
Hình 4
Ta có một hệ thống gồm N nguyên tử, do đó các nguyên tử phải tuân theo nguyên lý
Pauli. 2N điện tử s không thể có cùng mức năng lượng mà phải có 2N mức năng lượng
khác nhau; khoảng cách giữa hai mức năng kượng rất nhỏ nhưng vì N rất lớn nên khoảng
cách giữa mức năng lượng cao nhất và thấp nhất khá lớn, ta có một dải năng lượng. 2N
trạng thái của dải năng lượng này đều bị 2N điện tử chiếm. Tương tự, bên trên dải năng
lượng này ta có một dải gồm 6N trạng thái p nhưng chỉ có 2N trạng thái p bị chiếm chỗ.
Ta để ý rằng, giữa hai dải năng lượng mà điện tử chiếm-được có một dải cấm. Điện
tử không thể có năng lượng nằm trong dải cấm, khoảng cách (dải cấm) càng thu hẹp khi
khoảng cách d càng nhỏ (xem hình). Khi khoảng cách d=d3, các dải năng lượng chồng
lên nhau, 6N trạng thái của dải trên hoà với 2N trạng thái của dải dưới cho ta 8N trạng
thái, nhưng chỉ có 4N trạng thái bị chiếm. Ở khoảng cách này, mỗi nguyên tử có 4 điện tử
tầng ngoài nhưng ta không thể phân biệt được điện tử nào là điện tử s và điện tử nào là
điện tử p, ở khoảng cách từ đó, tác dụng của các nguyên tử lên nhau rất mạnh. Sự phân
Trang 9
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
bố các dải năng lượng tuỳ thuộc vào dạng tinh thể và nguyên tử số. Người ta xác định sự
phân bố này bằng cách giải phương trình Schrodinger và có kết quả như hình vẽ. Ta có
một dải hoá trị (valence band) gồm 4N trạng thái hoàn toàn bị chiếm và một dải dẫn điện
(conduction band) gồm 4N trạng thái chưa bị chiếm. Giữa hai dải năng lượng này, có một
dải năng lượng cấm có năng lượng khoảng 6eV. (eV: ElectronVolt)
1 volt là hiệu điện thế giữa hai điểm của một mạch điện khi năng lượng cung cấp là
1 Joule để chuyển một điện tích 1 Coloumb từ điểm này đến điểm kia.
W →Joule
Vậy, volt ← V =
Q
→ Coloumb
Vậy năng lượng mà một điện tử tiếp nhận khi vượt một hiệu điện thế 1 volt là:
W
V =
Q
W
⇒ 1V =
1,602.10-19
⇒ W = 1,602.10−19 Joule
Năng lượng này được gọi là 1eV (1eV=1,602.10-19J)
Ta đã khảo sát trường hợp đặc biệt của tinh thể Cacbon. Nếu ta khảo sát một tinh thể
bất kỳ, năng lượng của điện tử cũng được chia thành từng dải. Dải năng lượng cao nhất bị
chiếm gọi là dải hóa trị, dải năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm gọi là dải dẫn điện. Ta
đặc biệt chú ý đến hai dải năng lượng này.
E Năng lượng
Dải dẫn điện (Dải năng lượng
thấp nhất chưa bị chiếm)
EG
Dải cấm
Dải hoá trị (Dải năng lượng
cao nhất bị chiếm)
Hình 5
* Ta có 3 trường hợp:
Trang 10
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Dải cấm có độ cao khá lớn (EG>5eV). Đây là trường hợp của các chất cách điện. Thí
dụ như kim cương có EG=7eV, SiO2 EG=9eV.
Dải cấm có độ cao nhỏ (EG<5eV). Đây là trường hợp chất bán dẫn điện.
Thí dụ: Germanium có EG=0,75eV
Silicium có EG=1,12eV
Galium Arsenic có EG=1,4eV
Dải hóa trị và dải dẫn điện chồng lên nhau, đây là trường hợp của chất dẫn điện. Thí
dụ như đồng, nhôm…
E (Năng lượng)
Dải dẫn điện
EG>5eV Dải cấm
Dải dẫn điện
EG<5eV
Dải hoá trị
Dải hoá trị
(a)
(b)
(c)
Chất cách điện
Chất bán dẫn
Chất dẫn điện
Hình 6
Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, nhờ sự cung cấp nhiệt năng, điện tử trong dải
hóa trị tăng năng lượng. Trong trường hợp (a), vì EG lớn, điện tử không đủ năng lượng
vượt dải cấm để vào dải dẫn điện. Nếu ta cho tác dụng một điện trường vào tinh thể, vì tất
cả các trạng thái trong dải hóa trị điều bị chiếm nên điện tử chỉ có thể di chuyển bằng
cách đổi chỗ cho nhau. Do đó, số điện tử đi, về một chiều bằng với số điện tử đi, về theo
chiều ngược lại, dòng điện trung bình triệt tiêu. Ta có chất cách điện.
Trong trường hợp (b), một số điện tử có đủ năng lượng sẽ vượt dải cấm vào dải dẫn
điện. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử này có thể thay đổi năng lượng dễ dàng
vì trong dải dẫn điện có nhiều mức năng lượng trống để tiếp nhận chúng. Vậy điện tử có
năng lượng trong dải dẫn điện có thể di chuyển theo một chiều duy nhất dưới tác dụng
của điện trường, ta có chất bán dẫn điện.
Trong trường hợp (c) cũng giống như trường hợp (b) nhưng số điện tử trong dải dẫn
điện nhiều hơn làm cho sự di chuyển mạnh hơn, ta có kim loại hay chất dẫn điện.
Trang 11
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Chương II
SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Nội dung chính của chương này là ôn lại khái niệm về độ linh động của điện tử, dẫn
suất của kim loại, từ đó đưa ra phương pháp khảo sát chuyển động của hạt tử bằng năng
lượng. Mục tiêu cần đạt được là hiểu rõ thế năng của điện tử trong kim loại, sự phân bố
điện tử theo năng lượng, công ra của kim loại và tiếp thế.
I. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT:
Trong chương I, hình ảnh của dải năng lượng trong kim loại đã được trình bày.
Theo sự khảo sát trên, dải năng lượng do điện tử chiếm có thể chưa đầy và không có dải
cấm cho những năng lượng cao. Nghĩa là điện tử có thể di chuyển tự do trong kim loại
dưới tác dụng của điện trường.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
→
E
Na
Hình 1
Hình trên vẽ phân bố điện tích trong tinh thể Na. Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho
những điện tử ở dải hóa trị có năng lượng thấp nhất, những chỗ trắng chứa những điện tử
có năng lượng cao nằm trong dải dẫn điện. Chính những điện tử này là những điện tử
không thể nói thuộc hẳn vào một nguyên tử nhất định nào và có thể di chuyển tự do từ
nguyên tử này sang nguyên tử khác. Vậy kim loại được coi là nơi các ion kết hợp chặt
chẽ với nhau và xếp đều đặn trong 3 chiều trong một đám mây điện tử mà trong đó điện
tử có thể di chuyển tự do.
Hình ảnh này là sự mô tả kim loại trong chất khí điện tử. Theo thuyết chất khí điện
tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi mỗi lần va
chạm với ion dương nặng, được xem như đứng yên. Khoảng cách trung bình giữa hai lần
va chạm được gọi là đoạn đường tự do trung bình. Vì đây là chuyển động tán loạn, nên ở
một thời điểm nào đó, số điện tử trung bình qua một đơn vị diện tích theo bất cứ chiều
nào sẽ bằng số điện tử qua đơn vị diện tích ấy theo chiều ngược lại. Như vậy , dòng điện
trung bình triệt tiêu.
Trang 12
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Giả sử, một điện trường E được thiết lập trong mạng tinh thể kim loại, ta thử khảo
sát chuyển động của một điện tử trong từ trường nầy.
en
e1
e2
x
Hình 2
Hình trên mô tả chuyển động của điện tử dưới tácdụng của điện trường E . Quỹ đạo
của điện tử là một đường gấp khúc vì điện tử chạm vào các ion dương và đổi hướng
chuyển động. Trong thời gian t=n lần thời gian tự do trung bình, điện tử di chuyển được
x
một đoạn đường là x. Vận tốc v = gọi là vận tốc trung bình. Vận tốc này tỉ lệ với điện
t
trường E . v = µE
Hằng số tỉ lệ µ gọi là độ linh động của điện tử, tính bằng m2/Vsec.
Điện tích đi qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được gọi là mật độ dòng
điện J.
Ta có: J = n.e.v
Trong đó, n: mật độ điện tử, e: điện tích của một electron
Bây giờ, ta xét một điện tích vi cấp S đặt thẳng góc với chiều di chuyển của điện tử.
Những điện tử tới mặt S ở thời điểm t=0 (t=0 được chọn làm thời điểm gốc) là những
điện tử ở trên mặt S’ cách S một khoảng v (vận tốc trung bình của điện tủ) ở thời điểm
t=-1. Ở thời điểm t=+1, những điện tử đi qua mặt S chính là những điện tử chứa trong
hình trụ giới hạn bởi mặt S và S’. Điện tích của số điện tử này là q=n.e.v.s, với n là mật
độ điện tử di chuyển. Vậy điện tích đi ngang qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị
t = -1
t = 0
thời gian là: J=n.e.v
S’
S
Nhưng v = µE nên J = n.e.µ.E
Người ta đặt σ = n.e.µ (đọc là Sigma)
v
Hình 3
Nên J = σE σ gọi là dẫn xuất của kim loại
1
ρ =
Và
gọi là điện trở suất của kim loại
σ
Điện trở suất tính bằng Ωm và dẫn suất tính bằng mho/m
Trang 13
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
II. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA
HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG:
K
0
A
5cm
v0
M(x)
EC = 2eV
-
10V
+
Hình 4
Phương pháp khảo sát này căn cứ trên định luật bảo toàn lượng. Để dễ hiểu, ta xét
thí dụ sau đây:
Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song bằng kim loại cách nhau 5 Cm.
Anod A có hiệu điện thế là –10V so với Catod K. Một điện tử rời Catod K với năng
lượng ban đầu Ec=2eV. Tính khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời Catod.
Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M có hoành độ là x. Điện thế tại điểm M sẽ tỉ lệ
với hoành độ x vì điện trường giữa Anod và Catod đều.
Điện thế tại một điểm có hoành độ x là:
V = αx + β
⇒ V = 0 ⇒ β = 0
Khi x=0, (tại Catod)
Nên V = αx
Tại x=5 Cm (tại Anod A) thì V=-10volt ⇒ α = −2
Vậy V=-2x (volt) với x tính bằng Cm
Suy ra thế năng tại điểm M là:
U = QV = +2.e.x (Joule) với e là điện tích của điện tử.
Ta có thể viết U = 2.x (eV)
Năng lượng toàn phần tại điểm M là:
1
T = mv2 + U
2
Trang 14
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Năng lượng này không thay đổi. Trên đồ thị, T được biểu diễn bằng đường thẳng
song song với trục x.
1
Hiệu T − U = mv2 là động năng của điện tử. Động năng này tối đa tại điểm O
2
(Catod) rồi giảm dần và triệt tiêu tại điểm P có hoành độ x0. Nghĩa là tại điểm x0, điện tử
dừng lại và di chuyển trở về catod K. Vậy x0 là khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời
xa Catod.
eV (Năng lượng)
P
T
1
m.v02
2
0
x0 = 1cm
Hình 5
5 cm
x (cm)
Tại điểm M (x=x0) ta có:
T-U=0
Mà T=+Ec (năng lượng ban đầu)
T=2.e.V
Vậy, U=2.x0 (eV)
=> 2-2.x0=0 => x0=1Cm
Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng với năng lượng toàn phần có sẵn T,
điện tử không thể vượt qua rào thế năng U để vào phần có gạch chéo.
Ta thấy rằng nếu biết năng lượng toàn phần của hạt điện và sự phân bố thế năng
trong môi trường hạt điện, ta có thể xác định được đường di chuyển của hạt điện.
Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp trên để khảo sát sự chuyển động của điện tử
trong kim loại.
III. THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI:
Nếu ta có một nguyên tử duy nhất α thì điện thế tại một điểm cách α một khoảng r
là:
Trang 15
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
k
V = + C
r
Nếu chọn điện thế tại một điểm rất xa làm điện thế Zero thì C=0. Vậy một điện tử
có điện tích –e ở cách nhân α một đoạn r sẽ có thế năng là:
ke
U = −eV = −
r
-e
U
-e
α
r
0
r
Hình 6
Hình trên là đồ thị của thế năng U theo khoảng cách r. Phần đồ thị không liên tục
ứng với một điện tử ở bên trái nhân α. Nếu ta có hai nhân α và β thì trong vùng giữa hai
nhân này thế năng của điện tử là tổng các thế năng do α và β tạo ra. Trong kim loại, các
nhân được sắp xếp đều đặn theo 3 chiều. Vậy, ta có thể khảo sát sự phân bố của thế năng
bằng cách xét sự phân bố dọc theo dải α, β và γ...
Trang 16
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
U
Điện tử tự do
0
α
β
γ
ε
EB
U0
Điện tử buộc
V0 = 0
EB
Hình 7
+
Hình trên biểu diễn sự phân bố đó.
Ta thấy rằng có những vùng đẳng thế rộng nằm xen kẻ với những vùng điện thế
thay đổi rất nhanh. Mặt ngoài của mỗi kim loại không được xác định hoàn toàn và cách
nhân cuối cùng một khoảng cách nhỏ. Vì bên phải của nhân ε không còn nhân nên thế
năng tiến tới Zero chứ không giữ tính tuần hoàn như bên trong kim loại. Do đó, ta có một
rào thế năng tại mặt ngoài của kim loại.
Ta xét một điện tử của nhân β và có năng lượng nhỏ hơn U0, điện tử này chỉ có thể
di chuyển trong một vùng nhỏ cạnh nhân giữa hai rào thế năng tương ứng. Đó là điện tử
buộc và không tham gia vào sự dẫn điện của kim loại. Trái lại, một điện tử có năng lượng
lớn hơn U0 có thể di chuyển từ nguyên tử này qua nguyên tử khác trong khối kim loại
nhưng không thể vượt ra ngoài khối kim loại được vì khi đến mặt phân cách, điện tử
đụng vào rào thế năng. Các điện tử có năng lượng lớn hơn U0 được gọi là các điện tử tự
do. Trong các chương sau, ta đặt biệt chú ý đến các điện tử này.
Vì hầu hết khối kim loại đều có cùng điện thế V0 tương ứng với thế năng U0=-eV0
nên ta có thể giả sử khối kim loại là một khối đẳng thế V0. Nhưng điện thế tùy thuộc vào
một hằng số cộng nên ta có thể chọn V0 làm điện thế gốc (V0=0V). Gọi EB là chiều cao
của rào thế năng giữa bên trong và bên ngoài kim loại. Một điện tử bên trong khối kim
loại muốn vượt ra ngoài phải có ít nhất một năng lượng U=EB, vì vậy ta cần phải biết sự
phân bố của điện tử theo năng lượng.
Trang 17
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
III. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG:
Gọi ∆nE= là số điện tử trong một đơn vị thể tích có năng lượng từ E đến E+∆E.
∆nE
Theo định nghĩa, mật độ điện tử trung bình có năng lượng từ E đến E+∆E là tỉ số
Giới hạn của tỉ số này khi ∆E → 0 gọi là mật độ điện tử có năng lượng E.
.
∆E
∆nE dnE
Ta có: ρ(E) = lim
=
(1)
(2)
∆E→0
∆E
dE
Vậy, dnE = ρ(E).dE
Do đó, nếu ta biết được hàm số ρ(E) ta có thể suy ra được số điện tử có năng lượng
trong khoảng từ E đến E+dE bằng biểu thức (2). Ta thấy rằng ρ(E) chính là số trạng thái
năng lượng E đã bị điện tử chiếm. Nếu gọi n(E) là số trạng thái năng lượng có năng
ρ(E)
lượng E mà điện tử có thể chiếm được. Người ta chứng minh được rằng: tỉ số
một hàm số f(E), có dạng:
bằng
n(E)
ρ(E)
n(E)
1
f (E) =
=
E−EF
KT
1+ e
Trong đó, K=1,381.10-23 J/0K (hằng số Boltzman)
1,381.10−23
K =
= 8,62.10−5 (V/0K)
e
EF năng lượng Fermi, tùy thuộc vào bản chất kim loại.
Mức năng lượng này nằm trong dải cấm.
Ở nhiệt độ rất thấp (T≈00K)
Nếu E<EF, ta có f(E)=1
Nếu E>EF, ta có f(E)=0
Vậy f(E) chính là xác suất để tìm thấy điện tử có năng lượng E ở nhiệt độ T.
Hình sau đây là đồ thị của f(E) theo E khi T≈00K và khi T=2.5000K.
f(E) 1
T=00K
ρ(E)
T=00K
½
T=25000K
T=25000K
EF
E
EF
E
Trang 18
Biên soạn: Trương Văn Tám
Hình 8
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
Ta chấp nhận rằng:
1
N(E) = γ.E2
γ là hằng số tỉ lệ.
Lúc đó, mật độ điện tử có năng lượng E là:
1
ρ(E) = f(E).N(E) = γ.E .f (E)
2
Hình trên là đồ thị của ρ(E) theo E tương ứng với nhiệt độ T=00K và T=2.5000K.
Ta thấy rằng hàm ρ(E) biến đổi rất ít theo nhiệt độ và chỉ biến đổi trong vùng cận
của năng lượng EF. Do đó, ở nhiệt độ cao (T=2.5000K) có một số rất ít điện tử có năng
lượng lớn hơn EF, hầu hết các điện tử đều có năng lượng nhỏ hơn EF. Diện tích giới hạn
bởi đường biểu diễn của ρ(E) và trục E cho ta số điện tử tự do n chứa trong một đơn vị
thể tích.
EF
EF
1
3
2
n = ρ(E).dE = γ.E2 .dE = γ.EF2
∫
∫
3
0
0
(Để ý là f(E)=1 và T=00K)
Từ đây ta suy ra năng lượng Fermi EF
2
3
⎛
⎞
3 n
EF = ⎜ . ⎟
⎜
⎟
2 γ
⎝
⎠
Nếu ta dùng đơn vị thể tích là m3 và đơn vị năng lượng là eV thì γ có trị số là:
γ = 6,8.1027
2
Do đó, EF = 3,64.10−19.n 3
Nếu biết được khối lượng riêng của kim loại và số điện tử tự do mà mỗi nguyên tử
có thể nhả ra, ta tính được n và từ đó suy ra EF. Thông thường EF < 10eV.
Thí dụ, khối lượng riêng của Tungsten là d = 18,8g/cm3, nguyên tử khối là A = 184,
biết rằng mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do. Tính năng lượng Fermi.
Giải: Khối lượng mỗi cm3 là d, vậy trong mỗt cm3 ta có một số nguyên tử khối là
d/A. Vậy trong mỗi cm3, ta có số nguyên tử thực là:
Trang 19
Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử
d
.A với A0 là số Avogadro (A0 = 6,023.1023)
0
A
Mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do, do đó số điện tử tự do trong mỗi m3 là:
d
n = .A0 .v.106
A
Với Tungsten, ta có:
18,8
n =
.6,203.1023.2.106 ≈ 1,23.1029 điện tử/m3
184
2
3
⇒ EF = 3,64.10−19.
(
1,23.1029
)
⇒ EF ≈ 8,95eV
IV. CÔNG RA (HÀM CÔNG):
Ta thấy rằng ở nhiệt độ thấp (T #00K), năng lượng tối đa của điện tử là EF
(E<EF<EB), do đó, không có điện tử nào có năng lượng lớn hơn rào thế năng EB, nghĩa là
không có điện tử nào có thể vượt ra ngoài khối kim loại. Muốn cho điện tử có thể vượt ra
ngoài, ta phải cung cấp cho điện tử nhanh nhất một năng lượng là:
EW = EB-EF
EW được gọi là công ra của kim loại.
E
25000K
00K
U
EB EW
EF
EF
EB
0
ρ(E)
0
Hình 9
Nếu ta nung nóng khối kim loại tới nhiệt độ T=2.5000K, sẽ có một số điện tử có
năng lượng lớn hơn EB, các điện tử này có thể vượt được ra ngoài kim loại. Người ta
chứng minh được rằng, số điện tử vượt qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời
gian là:
Trang 20
Biên soạn: Trương Văn Tám
Tải về để xem bản đầy đủ
163 trang
26140
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Linh kiện điện tử", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_linh_kien_dien_tu.pdf
