Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 1: Giới thiệu về chất bán dẫn - Lê Chí Thông

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.
9
Giản đồ năng lượng
Giản đồ vùng năng 
lượng của một số vật 
liệu.
10
12-Sep-10
6
Giản đồ năng lượng
- 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.
11
Nhận xét
- 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.
- Vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm.
- Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương.
12
12-Sep-10
7
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- Vật liệu bán dẫn tồn tại một
dạng hạt dẫn khác ngoài
electron tự do.
- Một electron tự do xuất hiện thì
đồng thời nó cũng sinh ra một lỗ
trống (hole).
-Lỗ trống được qui ước là hạt
dẫn mang điện tích dương.
-Dòng di chuyển có hướng của 
lỗ trống được gọi là dòng lỗ
trống trong bán dẫn.
-Khi lỗ trống di chuyển từ phải sang trái cũng đồng nghĩa với
việc các electron lớp vỏ ngoài cùng di chuyển từ trái sang phải.
13
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- 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 dòng electron và dòng lỗ trống gây ra.
- Ta thường gọi electron tự do và lỗ trống là hạt dẫn vì chúng
có khả năng chuyển động có hướng để sinh ra dòng điện.
14
12-Sep-10
8
1.2.1 Lỗ trống và dòng lỗ trống
- 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 lỗ trống, do đó số lượng lỗ trống sẽ luôn bằng số
lượng electron tự do. Bán dẫn này được gọi là bán dẫn
thuần khiết hay bán dẫn nội tại (loại i) (intrinsic).
- Ta có: ni = pi
ni: mật độ eletron (electron/cm3)
pi: mật độ lô ̃ trống (lô ̃ trống/cm3)
15
1.2.2 Dòng trôi
- Khi một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu bán dẫn, điện trường
sẽ làm cho các electron tự do di chuyển ngược chiều điện trường
và các lỗ trống di chuyển cùng chiều điện trường.
- Cả hai sự di chuyển này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có
chiều cùng chiều điện trường được gọi là dòng trôi (drift current).
- Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di chuyển của hạt dẫn
trong bán dẫn, khả năng di chuyển được đánh giá bằng độ linh
động của hạt dẫn. Độ linh 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 =
16
12-Sep-10
9
1.2.2 Dòng trôi
- Trong chuyển động trôi, vận tốc trung bình của điện tử và lỗ trống
tỷ lệ với cường độ điện trường E (hoặc gradien điện thế) đã gây ra
chuyển động đó:
dx
dEv nnn
ϕµµ =−=
dx
dEv ppp
ϕµµ −==
17
1.2.2 Dòng trôi
- 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 độ 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 =
18
12-Sep-10
10
Ví dụ 1-1
Một hiệu điện thế được đặt lên hai đầu của một thanh bán dẫn thuần trong 
hình vẽ. Giả sử : là electron/m3
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 V spµ =( )20 .1 4 m V snµ =
19
Hướng dẫn
2. Vì vật liệu là thuần nên:
1. Ta có:
3.
( )( )3 3 4 22 0 1 0 m 2 0 1 0 m 4 1 0 m− − −× × = ×
Dòng điện:
s/m10.Ev
s/m10x8.2.Ev
m/V10.2d/UE
2
pp
2
nn
3
=µ=
=µ=
==
2
ppip
2
nnin
3610310
ii
m/A24.0v.q.nJ
m/A672.0v.q.nJ
)m(/10/10x5.1)cm/(10x5.1np
==
==
===
−
2
pn m/A912.024.0672.0JJJ =+=+=
mA365.0)m10x4).(m/A912.0(S.JI 242 === −
4. Tiết diện ngang của thanh là : 
20
12-Sep-10
11
Một số lưu 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 điện trở, 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
=σ
1
21
Ví dụ 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 áp trên hai đầu của thanh là 12V.
22
12-Sep-10
12
Hướng dẫn
1. Vì bán dẫn thuần nên:
n = p = ni = pi = 1.5 x 106 /m3 , qn = qp = 1.6 x 10-19 C
2.
m98.21921
m/S10x56.4
qpqn
4
ppnn
Ω=
σ
=ρ
=σ
µ+µ=σ
−
mA365.0
R
UI
K98.32
S
lR
==
Ω=ρ=
23
1.3.3 Dòng khuếch tán
- Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt dẫn
thì các hạt dẫn sẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật
độ hạt dẫn cao đến nơi có mật 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. Dòng điện này được gọi là dòng khuếch tán
(diffusion current).
- Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn)
trừ khi sự chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn.
24
12-Sep-10
13
1.3.3 Dòng khuếch tán
Mật độ dòng khuếch tán của điện tử
Mật độ dòng khuếch tán của lỗ trống
q = 1.6 x 10-19 C
Dn: hệ số khuếch tán của điện tử (silicon 34 cm2/s)
Dp: hệ số khuếch tán của lỗ trống (silicon 12 cm2/s)
dn/dx: gradient của nồng độ điện tử
dp/dx: gradient của lỗ trống
Điện thế nhiệt 
Tại nhiệt độ phòng (20oC), VT ≈ 25 mV
dx
dnqDJ nn =
dx
dpqDJ pp −=
nTn VD µ= pTp VD µ=
q
kTVT =
k = 1.38 x 10-23
q = 1.6 x 10-19
T: nhiệt độ K = oC + 273
25
Bán dẫn thuần khiết (Bán dẫn loại i)
ni = pi
ni: mật độ điện tử tự do(electron/cm3)
pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3)
Mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ trống.
•Điện tử tự do có điện tích –q
•Lỗ trống có điện tích +q
• Điện tử tự do và lỗ trống là hạt dẫn 
 Tạo ra dòng điện khi
chuyển động có hướng
26
12-Sep-10
14
Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N
- Trong thực tế, người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó
mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống hoặc vật liệu bán dẫn
có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron tự do.
- Các vật liệu bán dẫn này được gọi là bán dẫn có pha tạp
chất.
- Bán dẫn mà electron tự do chi phối được gọi là bán dẫn loại
N, và ngược lại, bán dẫn trong đó lỗ trống chi phối chủ yếu
được gọi là bán dẫn loại P.
27
Bán dẫn loại N
Cấu trúc tinh thể bán dẫn 
chứa một nguyên tử 
donor.
Hạt nhân của donor được 
ký hiệu là D. 
•Bán dẫn loại N = Bán dẫn thuần + Tạp chất nhóm 5
Vd: Si + Phosphore, Ge + Asenic
•Tạp chất này cung cấp điện tử 
 Tạp chất cho (tạp chất donor)
•Nguyên tử tạp chất bị ion hóa thành ion dương
28
12-Sep-10
15
Bán dẫn loại N
nd = Nd
nd: Nồng độ điện tử tự do do tạp chất cung cấp
Nd: Nồng độ tạp chất donor
nn = Nd + pn
nn: Tổng nồng độ điện tử tự do trong bán dẫn N
pn: nồng độ lỗ trống trong bán dẫn N
nn >> pn  nn ≈ Nd
nnpn = ni2
ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần
Hạt dẫn đa số là điện tử.
Hạt dẫn thiểu số là lỗ trống.
29
Bán dẫn loại P
•Bán dẫn loại P = Bán dẫn thuần + Tạp chất nhóm 3
Vd: Si + Bore, Ge + Indium
•Tạp chất này nhận điện tử
 Tạp chất nhận (tạp chất acceptor)
•Nguyên tử tạp chất bị ion hóa thành ion âm
Cấu trúc tinh thể bán dẫn có 
chứa một nguyên tử acceptor. 
Nguyên tử acceptor 
được ký hiệu là A. 
30
12-Sep-10
16
Bán dẫn loại P
pa = Na
pa: Nồng độ lỗ trống do tạp chất cung cấp
Na: Nồng độ tạp chất acceptor
pp = Na + np
pp: Tổng nồng độ lỗ trống trong bán dẫn P
np: nồng độ điện tử tự do trong bán dẫn P
pp >> np  pp ≈ Na
nppp = ni2
ni: mật độ điện tử trong bán dẫn thuần
Hạt dẫn đa số là lỗ trống.
Hạt dẫn thiểu số là điện tử.
31
Ví dụ 1-3
Một thanh silicon có mật độ electron trong bán dẫn thuần là 
electron/m3 bị kích thích bởi các nguyên tử tạp 
chất cho đến khi mật độ lỗ trống 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 =
32
12-Sep-10
17
Ví dụ 1-3
Một thanh silicon có mật độ electron trong bán dẫn thuần là 
electron/m3 bị kích thích bởi các nguyên tử tạp chất cho đến khi mật độ lỗ 
trống 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
( )2162 10 3
21
1.4 10
2.3 10 electron/m
8.5 10
inn
p
×
= = = ×
×
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
− −
−
= +
= × × + × ×
= × + ≈ 33
1.4 Chuyển tiếp PN
• Hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc nhau
• Do chênh lệch nồng độ  hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số
• Điện tử khuếch tán từ N 
 P
• Lỗ trống khuếch tán từ P 
 N
Dòng điện khuếch tán với mật độ dòng là 
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
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
dx
dpqD
dx
dnqDJ pn −= 34
12-Sep-10
18
1.4 Chuyển tiếp PN
• Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau 
trong một vùng hẹp ở hai bên mặt ranh giới có nồng độ hạt dẫn giảm 
xuống rất thấp.
• Tại vùng đó, bên bán dẫn P hầu như chỉ còn ion âm acceptor và bên bán 
dẫn N hầu như chỉ còn ion dương donor  hình thành hai lớp điện tích trái 
dấu đối diện nhau  chênh lệch hiệu điện thế  điện thế tiếp xúc Vtx 
điện trường tiếp xúc Etx.
• Vùng hẹp đó được gọi là vùng nghèo (depletion region) hoặc chuyển 
tiếp P-N (PN junction).
• Do Etx  hiện tượng trôi của các hạt dẫn thiểu số
• Lỗ trống của bán dẫn N chạy về cực âm của điện trường
• Điện tử của bán dẫn P chạy về cực dương của điện trường
 dòng điện trôi với mật độ dòng là txnppntx EnpqEJ )( µµσ +==
35
1.4 Chuyển tiếp PN
• Dòng điện trôi ngược chiều với dòng khuếch tán
• Nồng độ hạt dẫn đa số trong hai khối bán dẫn càng chênh lệch 
khuếch tán càng mạnh và tái hợp càng nhiều  Etx càng tăng  dòng trôi 
càng tăng
Sau một thời gian ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán cân bằng nhau 
Dòng tổng cộng qua mặt ranh giới bằng không: trạng thái cân bằng
Khi đó, hiệu điện thế tiếp xúc có giá trị nhất định
Thông thường Vtx = 0,35 V đối với Ge và 0,7 V đối với Si.
Hiệu điện thế này ngăn cản, không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua 
mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là “hàng rào điện 
thế”






=== 2lnlnln
i
da
T
p
n
T
n
p
Ttx
n
NNV
n
nV
p
p
VV
36
12-Sep-10
19
Ví dụ 1-4
Một chuyển tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022
acceptor/m3 và bán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3.
Tìm điện thế nhiệt và điện thế hàng rào tại 25°C.
Cho ni = 1.5 x 1016 electron/m3.
37
Ví dụ 1-4
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 =






= 2
i
DA
T0 n
N.Nln.VV
Điện thế hàng rào:
38
12-Sep-10
20
 1.5 Phân cực chuyển tiếp PN
- Chuyển tiếp PN có thể được phân cực bằng cách dùng một nguồn điện
áp đặt lên hai đầu của chuyển tiếp.
Nguồn áp phân cực thuận 
chuyển tiếp PN. 
39
 Phân cực thuận chuyển tiếp PN
• P nối cực dương, N nối cực âm
• Hàng rào điện thế giảm còn Vtx – V
Hạt dẫn đa số sẽ “tràn qua hàng rào” sang miền đối diện, được gọi là
hiện tượng “phun hạt dẫn” hay “chích hạt dẫn” (injection)
• Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo được giảm bớt  bề dày
vùng nghèo thu hẹp  điện trở của vùng này giảm
• Dòng điện qua chuyển tiếp PN lớn và tăng nhanh theo điện áp
TmV
V
S
mkT
qV
S
mkT
qV
S eIeIeII =≈



−= 1
Trong đó:
I : dòng qua chuyển tiếp (A)
V: điện áp phân cực (V).
IS (I0): dòng ngược bão hòa (A)
m: hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào vật liệu; 1≤m≤2)
VT: điện thế nhiệt (V) 40
12-Sep-10
21
 Phân cực ngược chuyển tiếp PN
• P nối cực âm, N nối cực dương
• Hàng rào điện thế tăng thành Vtx + V
Hạt dẫn đa số rời xa khỏi mặt ranh giới  vùng nghèo mở rộng 
điện trở tăng
• Dòng điện qua chuyển tiếp PN nhỏ và nhanh chóng đạt tới giá trị bão
hòa IS ngay khi V còn rất thấp
S
mkT
qV
S IeII −≈



−= 1
Trong đó:
I : dòng qua chuyển tiếp (A)
V: điện áp phân cực (V).
IS (I0): dòng ngược bão hòa (A)
m: hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào vật liệu; 1≤m≤2)
VT: điện thế nhiệt (V) 41
Quan hệ dòng – áp trong chuyển tiếp PN 
dưới phân cực thuận và phân cực ngược. 
Đặc tuyến Vôn-Ampe
V
42
12-Sep-10
22
1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN
Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng: nhiệt và điện.
- Đánh thủng về điện được phân làm 2 loại: đánh thủng thác lũ
(avalanching) và đánh thủng xuyên hầm (tunnel)
- Biên độ của dòng ngược khi V xấp xỉ VBR (breakdown
voltage) có thể được tính bằng biểu thức sau:
n
BR
S
V
V1
II






−
=
với n là hằng số được xác định từ thực nghiệm.
- Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng 
nghèo hạt dẫn.
(Dòng IS tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10°C)
43
- Đánh thủng về điện, nếu có biện pháp hạn chế dòng điện
ngược sao cho công suất tiêu tán chưa vượt quá giá trị cực
đại cho phép thì chuyển tiếp P-N vẫn có thể phục hồi đặc
tính chỉnh lưu của mình
- Đánh thủng về nhiệt thường gây ra hậu quả tai hại,
phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu của chuyển tiếp
P-N
44
12-Sep-10
23
1.6 Đánh thủng chuyển tiếp PN
Quan hệ của diode cho 
thấy sự gia tăng đột ngột 
của dòng khi áp gần đến 
điện áp đánh thủng.
Sự gia tăng của nhiệt 
độ làm cho đặc tuyến 
dịch sang trái.
45
Ví dụ 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 độ tăng lên đến 100 °C.
Hướng dẫn
Ở T = 20°C ⇒ VT = 0.02527V
Cho m= 1 ⇒ I = 0.283 mA
Ở T = 100°C ⇒ VT = 0.03217V
Khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 100°C, dòng bão hòa IS được 
nhân đôi 8 lần, nghĩa là IS tại 100OC gấp 256 lần IS tại 20OC:
( )13 0.55 0.03217256 10 1 0.681 mAI e−= × − =
46