' ٠■

٠.

٠

٠

*

LÊ PHI YẾN - LƯU PHÚ - NGUYỄN NHƯ ANH

1

!■

KY THUẬT
ĐIỆN TỪ

THƯVIỆNĐHNHATRANG

IM
3000022750

NHÀ XUẤT BẢN
OẠI HỌC QUỐC GIA TP, Hồ CHÍ MINH


ĐẠI HỌC QUỐC GIA T P H ồ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Lê Phi Yến ٠ Lưu Phú - N ^ y ễ n Nhự Anh

KỸ THDÂT
BIỆN
TỬ~
٠
٠
(Tái bản lần thứ hai)

NHÀ XUẤT BẲN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
T P HỒ CHÍ MINH . 2011


MỤC LỤC
PHẨN MỞ ĐẦU
Chương 1

TÍN HIỆU VÀ CÁC HỆ THỐNG Đ IỆN TỬ

7

1.1. Khái niệm chung về tín hiệu

7

1.2. Các thông số đặc trưng cho tín hiệu

9

1.3. Các hệ thống điện tử điển hình


10

PHẦN K Ỹ THUẬT TƯƠNG ĐỒNG (AN AW G )
Chương 2

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

14

2.1. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện

14

2.2. Chuyển động trôi và khuếch tán của h ạ t dẫn

٠

23

2.3. Chuyển tiếp P-N và đặc tính chỉnh lưu

26

2.4. Điôt bán dẫn

34

2.5. T ransistor hai cực tính
(Bipolar Junction Transistor - BJT)


56

2.6. T ransistor trường (F.E.T - Field E ffect T ransistor)

77

Chương 3

CÁC LINH KIỆN QUANG BÁN DẪN

3.1. Khái niệm chung

90

.

90

3.2 Quang trở (Photoresistor)

91

3.3. Điôt quang (Photodiod) và tế bào quang điện (Photocell)

98

3.4. T ransistor quang (Phototransistor)

107


3.5. Điôt phát quang (Light Em itting Diode - LED)

110

3.6. Bộ ngẫu hỢp quang.điện (Optron)
Chương 4

٠

MẠCH KHUẾCH ĐẠI

113
115

4.1 Các chỉ tiêu cơ bản của bộ khuếch đại

115

4.2. Các khái niệm cơ bản về một tầng khuếch đại

119

4.3. Các mạch phân cực cho BJT và FET

130

4.4. Sơ lược về hồi tiếp và ảnh hưởng của chúng

146


4.5 Các tần g khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng E JT hoặc FET

153

4.6. Các dạng ghép tầng

168

4.7. Tâng khuếch đại công suất

183


Chương 5

199

5.1. Khái niệm về khuếch đại tín hiệu biến th iên chậm

199

5.2. Khuếch đại vi sai

200

5.3. Khuếch đại th u ậ t toán và ứng dụng

210

MẠCH TẠO SÓNG HÌNH SIN


227

6.1. Nguyên lý tạo dao động và duy trì dao động

227

6.2 Mạch tạo sóng RC

229

6.3. Mạch tạo sóng LC

234

Chương 6

PHẦN

^

Chương 7
\

KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIÊU
VÀ KHUẾCH ĐẠÌ t h u ậ t t o á n

KỸ

THUẬT XUNG - s ố

242

CÁC MẠCH XUNG

242

" 7،1. Các m ạch biến đổi dạng xung

249

7.2. Dao động tạo sóng vuông
r

7.3. Dao động blocking
7.4. Mạch tạo xung răn g Cưa

CHƯƠNG 8

CÁC MẠCH số cơ BẢN

٠

264
266
271

8.1. Các hệ thống số

271


8.2 Cơ sỏ đại số Boole

274

8.3. Các phần tử logic cơ bản

275

8.4. Các phương pháp biểu diễn hàm Boole

280

8.5. R út gọn hàm Boole bằng bìa K arnaugh

281

8.6. Một số hệ logic tổ hỢp thông dụng

283

8.7 Một số hệ logic tuần tự

.288

P H Ấ N Đ IỆ N T Ử CÔNG S U Ấ T
Chương 9

NGUỒN CẤP Đ IỆN

300


9.1 Bộ chỉnh lưu không đfêu khiển

300

9.2. Ngùôn ổn áp DC

317

9.3. Các linh kiện điện trỏ âm và ứng dụng

332


LỜI NÓI ĐẦU
Nga ‫ ﻻ‬тгагу) ‫ ﻵﻵ‬thuật đ iệ n tử đã phát t ٣tến rất m anh. N ố khòng ch ỉ g ‫ﻻﻷ‬
ra nh ử n g chuỵ ٤n btến thhn kị? trong bản thhn nghnh υό tu^?ến đ iệ n tử m h
còn trỏ thành m ột phương tiện kỹ thuật sác bén, thúc đẩy sự tiế n bộ của
n h iìu ngành khác. C hinh vi uộy, đã từ làu, mòn học K Ỹ T H Ư Ậ T Đ IỆ N T Ử
được cot la m ồn học khbng thẳ thtếu trong quá trtn h ‫ ﻫﻸج‬tọ٥ cốc chu^èn
oìèn kÿ thuật trong υά n g ề nghnh đ iện tứ. Tàì Uệu nh^? được b t^n soạn
đ ể phục vụ cho cồng tác giảng dạy chinh mòn học K Ỹ T H U Ậ T Đ IỆ N T Ử
Khoa Đ iện ٠ Đ iện tử - Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc g ia T P m
Chi M inh.
Ngoài ra, đày cũng là tái. liệu tham khảo bổ ích cho các k ỹ sư đã tốt
nghtệp. cốc k s thuộ٤ ulèn υα cbng nhan muổn nhng CQO htều btểt O١
è lĩn h
vực đ iệ n tử.
Vầ nội dung, tat. Itệu đè cộp một cdch hệ thổng cốc k tế n thức quan
trong của ngành đ iệ n tử, k ể từ những lin h ì i ệ n cơ bản n h ư điôt, transistor,

vi mạch ΟΡ.ΑΜΡ, S.C .R ,... cho đến các ứng dụng kỹ thuật n h ư khuếch đại,
tạo dao dộng, cốc mạch xung ٠số, các bộ ch ln k ΙίΛι cO υά khbng đíèu kh tến ,
các ngùòn ổn áp ‫دﺀ‬. ‫دأ‬....
Theo chươhg trin h dOo tạo hè tin chl, số g io danh cho khdu lèn lôp
chl rdt It. VI
trong kh l bìèn s ẹ , chUng tbl gdng trin h b ^ tuOng dốl
chl tiế t hon cdc nộl dung m h sin h oièn sẽ khbng dược nghe g ld n g tr^n lớp.
Ngoàl phan lỷ thu ‫ﻻ‬ết, sOch cOn kèm thèm mòt số bai tộp cO lờl giai, glUp
sin h ulèn uận dụng k iế n thức uừa học. cac chương muc da dược s ip xếp
theo một trật tự nhdt đ ịn h d ề bào đảm tin h hê thống chu^?èn mbn. Tu‫ ﻻ‬٧‫اﻻة‬
kh l gldng dạ^?, các tha^? cò glOo ohn cO th ể thay đồl lạl th ứ tự, chàng hạn
học từng loai lin h kiện dl kèm nga‫ﻻ‬mạch ứng dụng tương ứng.
Κ Ϋ THUẬT Đ IỆN TỬ gbm 9 chương: Các chương 1, 2, 3, 4, do K S
LÊ PHI YẾN jo a n , chương 9 ,6 ,‫ ة‬do KS L ư u PHU S ệ và chương 7, ổ
do TS NGUYỄN N H Ư AN H 5oạn. Duyệt và hiệu d in h chung toàn bộ: K S
LÊ PHI YẾN.
Do thời gian gấp rút và trinh đô có hạn, chác chắn rbng cuốn sQch
khống tranh khỏi thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được nhỉèu góp ý ‫ﻫﺬﺀﺀ‬
bạn dọc d ể k‫ ﻵ‬tdl bdn sau dược hobn hOo hơn.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn các đống nghiệp ơ bộ m òn K Ỹ
TH U Ậ T Đ IỆ N TỬ, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia T P Hô
Chi M inh đả giúp đỡ, đọc bản thảo và góp nhiêu ‫ رز‬kiến xác đảng trong kh i
bièn s ^ n .
R dt m ong ìihận dược v٠
٠
h ì١
èu ‫ ﻵ‬kiến dOng'gOp cUa cốc đòng nghiệp υά
quý độc giả.
Địa ch l Uèn hệ: Bộ mòn Κ5 thuật điện tử ١Khoa Đ iện - Đ iện tử, Trương
Đại học B k h khoa ٠ Đại học quốc gia TP m C hi M inh, 268 Lý Thường

K iệt, Quận 10. ĐT: 08.8650159.
CÁC TÁC GIẢ


PH Ầ N M Ở ĐÂU

Chương 1

TÍN HIỆU VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍN HIỆU
T rong đời sống hàng ngày, chúng t i thường phải truyền đi tiế n g nói,
hình ảnh hoặc âm nhạc, gọi chung là tin tức. Để có thể truỳên tin tứ c qua
các hệ thố ٠
ng điện tử, người ta thường biến đổi chúng thành m ột điện áp
hoặc dòng điện, biến thiên tỷ lệ với lượng tin tức nguyên th ủ y (ví dụ
m icrophone biến tiếng nói của diễn giả thành một điện áp xoay chiều). Ta
gọi dó là tín hiệu.
Một cách tổng quát, tín hiệu có thể là tùần hoàn hoặc không tùần hoàn,
là lién tục theo thời gian (gọi là tin hiệu tương đòng, hay tín h iệu analog)
hoặc gián đoạn theo thời gian (gọi là tín hiệu xung, tín hiệu số, hay tín
hiệu dỉgiíaỉ).
T rong các tín hiệu tương đổng, dạng đặc trư ng n hất là tín hiệu h ìn h
sin (H.1.1). Biểu thức của tín hiệu này có dạng:
s(t) = A cos (c٧t - ^ )
trong đó: A là biên độ, o>= 2
đàu của tín hiệu, T =

cư


(1.1)
là tàn số góc

và (p là góc p h a ban

= ỉ là chu kỳ
f

Một tín hiệu không tu ần hoàn, dạng bất kỳ, có thể coi như là tổ n g của

(1)

i٠!òt đại lương hình sin như vậy vê sau thường được biểu diễn bằng một số phức
modul là A và angument là ựĩ

s

= A exp(jV)

s,

cỏ


thàn h ph١
ân hình sin
(dựa
theo
khai
triể n

Fourier). Mỗi th àn h phần
hình sin (gọi là m ột sống
hài) có m ột biên độ, m ột tần
số và m ột góc pha n h ấ t
định. T hành phần hình sin
quan trọ n g nhất, có tầ n số
c٧, gọi là sóng cơ bản (hay
sỏng hài bậc nhất). Các th àn h phầri hình sin khác có tần số 2o>, 3o), ... nco
gọi là sóng hài bậc 2, bậc 5,..., bậc n. Đồ th ị biểu diễn biên độ của các sóng
hài theo tần số gọi là p h ổ tín hiệu. Tùy theo loại tín hiệu mà phổ của chúng
là những vạch đứng rời rạc hoặc là n h ữ n g đường cong liên tục.

VÔ SỐ

Ngoài
tín
hiệu tương .dồng
٧(t)
(biến đổi liên tục
theó thời gian),
tro n g kỹ th u ậ t ta
o
còn gặp các tín
I
hiệu đột biến,
tồn tại m ột cách
gián đoạn theo
o
thời gian. Ví dụ
các dạng xung

thường gặp như:
xung
vuông,
Hình 1.2: Các dạng tín hiệu xtmg
xung hình thang,
xung tam giác
(ráng cưa), xung nhọn đầu (hàm mủ) v.v... như trê n H.1.2. C húng có thể
có cực tính dương, âm , hoặc cả hai, tu ầ n hoàn hoặc không tu ần hoàn. Đặc
trư n g cho loại tín hiệu này có các tham sô' sau đây:
٠Biên độ Vj. (xem H .r.3 )

- Độ giảm đỉnh xun ٠
g AV
٠Độ rộng xung T .

- Độ rộng sườn trước t ị
- Độ rộng sườn sau Ì 2
٠Độ rộng đỉnh xung t 3
١
^Các tham sô' thời gian như T ٠
. ti, t 2 , t 3 tro n g nhiêu trư ờ n g hợp rấ t

8


khó x.ác định m ột cách chính
xác. L úc đó người ta phải sử
dụng những quy ước. Ví dụ độ
rộng sườn trước (tj) hoặc độ
rộng sườn sau (t 2 ) là khoảng

thời gian mà tín hiệu tăng
hoặc giảm trong phạm vi từ
10% đến 90% giá tr ị biên độ.

Hình 1.3: Cdc tham s ố đặc trwcg của tín hiệu xung

Đô"i vói tín hiệu tuần hoàn, ngoài các tham số kể trê n còn có: chu kỳ
_
1
T
T١
T, tầ n số f (f = —), hệ số đầy (ớ = — ) hoặc độ rỗng xung (I = — ).
Các tín hiệu xung có thể mả hóa trong hệ nhị phân. T rong trường hỢp
này, người ta quan tâm đến hai giá trị phàn biệt, chẳng hạn hai mức khác
nhau của biên độ: mức thấp (ký hiệu L) và mức cao (ký hiệu H), tương ứng
với hai trạ n g thái logic khác nhau, ký hiệu là 0 và 1 (trong hệ Logic dương).
Trong hệ Logic ảm thì có sự tương quan ngược lại: mức L tương ứng với
trạ n g thái ·logic 1, m ức H tương ứng với trạn g thái logic 0 .

1.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRUNG CHO TÍN HIỆU
1- Đ ô d ài (h o ặ c đô rôn g)
Khi biểu diễn trong đồ thị thời gian, khoảng thời gian tồn tại của tín
hiệu, kế’ từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc, đưỢc gọi là độ dài (hay độ
rộng) của tín hiệu. Nếu là tín hiệu tuần hoàn, độ dài được tín h tương ứng
với thời gian tồn tại tín hiệu trong một chu kỳ.
/
2- Giá trị tru n g b ìn h
Nếu tín hiệu s ( t) , ٠
xuất hiện tại s(t) thời điểm t ٠
, có độ dài là T thì

giá trị tru n g bình tro n g khoảng thờỉ gian T của nó được xác định bởi:
t ٠٠ 4٠ĩ

s(t) = i

s(t) dt

(

1.2 )

3 - N á n g lư ợ n g củ a tín hiệu
Th^ng thường s(t) đại diện cho một điện áp hay m ột dcng điện. Vì vậy
náng lượng của tín hiệu trong thời gian tồn tại của nó xác định theo hệ
thức:


t٠+ r

Es

= J . s^(t) dt
x١

(1.3)

N ăng lượng trung b ìn h tro n g một đơn vị thời gian (thường gọi là công
suất tru n g bình của tín hiệu) sẽ là:
t٠+T


~2
s (t)

E.
1 r 2
;i4 )
= —‫_ = ؛‬. ị s (t) d t
T
T
^0
Căn bậc hai của n ăn g lượng tru n g bình được gọi là giả trị hiệu dụng
của tín hiệu:
”‫ ؟‬TT
= \/ ^ t ) = \ l ~ f
^

٥،

(1.5)

to

Ví dụ: s(t) là m ột tín hiệu hình sin:
s(t) = Sj^ sincưt

(

1. 6 )

2ji

có chu kỳ T = — , biên độ là Sjn thì áp dụng (1-1.5), trị hiệu dụ n g sẽ là:
c٧

s =

1 I
. 2
,
١.
Sm
ị Sm sin~ a>t dt = - 7.
T .‫؛‬

(1.7)

V ĩ

1.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ OIEN HỈNH
Để thực hiện việc truỳên các tin tức (tiếng nói, hình ảnh, số liệu...)
đi xa hoặc thu thập, xử lý một. tín hiệu từ nơi xa tới, tiến hành đo đạc,
khống chế và sử dụng chung vào m ột mục đích cụ thể, người ta xây dựng
các th iết bị chức năng và tập hợp chung th àn h m ột hệ thống điện tử n hất
định. Trong các hệ đó, tin tức có tb ể được truỳên theo m ột chfêu n h ấ t định
(gọi là hệ thống /lở), cũng có th ể tru y ền theo cả hai chiều: chiêu th u ận và
chiều nghịch gọi là hệ thống k ín (thông thường, đường tru y ền ngược có tác
dụng Ổn định trạ n g thái làm việc của hệ). Ba hệ th ín g điện tử thường gặp
là hệ thông tin quảng bá, hệ đo lường và hệ tự động điều khiển. Dưới đây
tH nh bày khái quát cấu trú c và đ ٤
٠
c điểm cửa các hệ đó.

1.3.1 Hệ th ô n g tin q u ả n g bá
Đây là hệ thường dùng để truỳên tiếng nói, hình ảnh từ các đài phát
thanh, phát hình tới các máy thu (hình 1.4). Tại đài phát, tin tứ c (tiếng
hói hay hình ảnh) được truỳên qua bộ phận gia công, biến th à n h các đại

10


THIẾT BỊ PHÁT

THIẾT B| THU
Hình 1.4: Hệ thòng tin quảng bá

lượng đ iệ n tần số thấp: Tín hiệu loại này có năng lượng nhỏ, tầ n số thấp,
không th ể bức xạ đi xa, vì vậy ngiíời ta phải dùng m ột sóng cao tần (gọi
là sóng m ang hoặc tải tin) để “cõng.’ tín hiệu đi xa. Quá trìn h này gọi là
điêu c h ế hay biến điệu. Qua bộ phận này, một trong nhữ ng tham só. của
sóng cao tần (biên độ, tần số’ hoặc góc pha) bị thay đổi theo quy luật của
tín hiệu tần số thấp, do đó có tên gọi là sống biến điệu) (điều biên, điêu
tần hoặc điêu pha). Chúng được khuếch đại và đưa đến th iế t bị an ten để
bức xạ qua môi trư ờ ng truyền sóng. Tại bộ phận thu, sóng cao tần biến
điệu tiếp nhận từ an ten sẽ được chọii lọc, khuếch đại và đưa đến bộ trộn
sóng (đem sóng cao tần m ang tin tức trộn với sóng tạo ra tại chỗ - gọi là
dao động nội,) để tạo nên sóng có tần số thấp hơn ٠gọi là trung tàn). Sau
đó sóng tru n g tầ n này đưỢc khuếch đại, giải điêu c h ế (nghĩa là tách tín
hiệu tần số thấp phản ánh tin tức nguyên thủy ra khỏi sóng mang; qụá

11



trin h này còn gọi là tách sóng), tiếp tụ c khnếch đại và đưa tổi bệ phận
nhận tin (v ٤dụ loa t-ong máy thu. thanh).
Hộ thống mồ tả trê n dầy thuộc loại hệ thống hỏ: tin hiệu chỉ truy'ên
theo m ật chíêu (tư đài phất tới mdy thu) mà không truy'ên theo chíêu ngược
lại. Chất lượng và hiệu quả của viậc thông tỉn phụ thuộc vào ٠
chất lượng
cUa th iết bị phát, th iết bị thu và của môi trư ờng tmy'ên sOng. Thổng thường,
bên cạnh các tin hiệu ^ n truy ١
ên d i'(g ọ ỉ là tin hiệu h à ích) còn lẫn lộn
các tin hiệu ký sin h khồng mong muốn (do các linh kiện và môi trường
gầy nên) gọi chung là nhiễu. Để có hiệu quả thồng tin tốt, mối. bộ phận
tro n g hộ thồng tin quảng bá nói trê n dều phải cO tỷ số tin hiệu hdu ích
trê n n١
ến nhiễu (tỷ số S/N) càng.lớn càng-'tốt.
1.3.2. H ệ ٥
٠lư ờng d ỉện tử
T rong thực tế, nhíèu khi ta cần đo dạc các .thOng số hoặc thu, th ập tin
tức v'è m ột dối tượng
٠
'
nào dO, ví dụ do nhiệt
độ, xác định tốc độ
chuyển dộng, khảo sát
quy luật thay dổi theo
thời gian của nồng độ
hạt dẫn Ѵ.Ѵ... Thông
số c١
ân do có thể là
Hình 1.5: Hệ đo l ả g điện lir
một dại lượng diện

hoặc phi diện, ,dối
tượng do cO thể là một cá th ể haỵ ‫ إ‬tẶp- thể, khoảng cách tư dOÌ tượng do
dến bộ phận hiển thị kết quả có -..thệ r ấ t gần hoặc rấ t xa. Một hệ thống
'như vậy gọi chung là hệ đo lường đ iện tử - Sơ đô khối của hệ dó như
hình 1.5.
' ‫زا‬
‫ر‬
Bộ cảm biến ằ
vào biến dổi dạị Ịượ.ng cần do thành m ệt tin hiệu diện
tỷ lệ với nd. Sau dO tin hiộu nằy dược gia cbng (xử lý, b i،n dổi thành dạng
thích hợp, khuếch dại,...) và dưa dến bộ p h ậ n h iển thị (thổng báo k ết quả
dưới m ột dạng nào dO). T rong c^c khối trên , bạ cảm biến dOng vai trò quan
trọ n g nhất. NO quyết định độ nhậy ỵà độ chinh xác của phép do. Cứng như
mọi thiết bị diện tử khác, hệ .do lường di ‫ؤ‬n tử cổ thể xây dựng theo nguỵên
tác tương đòng (tin hiệu biến thiên liẽn tụ c theo thời gian) hoặc nguyên tác
số (tin hiệu tồn tại rời rạc theo thời gian, hoặc cO giá trị rời rạc v١
ê biên
độ). T hiết bị do dựa trê n nguyên tắc số thường có độ chinh xác cao, khả
nâng chống nhiễu cao, dỗ phối hỢp vdi cạc hệ thống truy'èn và xử lý số liệu
khác. NO cUng cho phép ta thự c hiộn do dồng thời n h ‫؛‬êu dạỉ lượng hoặc
nhiều tham số cUa một quá trin h , hoặc do^lường từ xa. Ngày nay, nhíêu
quá trin h do dược tiến hành m ột cấch tự dộng, theo m ệt chương trin h định
trước nhờ các bộ vi xử lý trung tầm d ặt tro n g các hệ th ố n g do.

12


1.3.3. H ệ tự đ ô n g đi٠
ê u k h ỉển
Hệ tự động đfêu khiển thuộc loại hê thống kin: ngoài dường truýên

hiệu theo chíêu thuận, cOn có dường truytn ngược (gọi ỉà đường Hòi tiếp)
theo dOi, do dạc hoặc so
^sánh một hay nhíốu
thồng số của quá trinh,
tư dó sản sinh ra tin
hiệu díêu khiển, nhằm
dưa hệ thống trò v١
ê
một trạng thai ổn định
nào do.
Ví dụ trê n Η.1.6
là hệ thống tự dộng
díêu khiển nhiệt dộ ٠
Đối tượng chiu sự
đ iìu kh iển ỏ dây là.
m ật 10 diện,
hoặc m ột
buồng sấy nào
dó.
Nhiệt,
độ của
nO

tin
dể

V.

V,ch


Hìnìi 1.6: Hệ tù' động đỉêii kỉiỉển

(thổng số díèu khiển Τχ) dược bộ cảm biến chuyển thành m ột dỉện áp (tỷ
lệ vdi nhiệt đệ). Qua khuếch đại) dỉện áp Υ χ này dược dem 50 5á n /г với m ột
dỉận áp mẫu Vch (do bộ tạo mức chuẩn gây ra). Giá trị của v ٠h dược lựa
chpn tưưng ứng vdi m ệt nhiệt độ T . cho trước (T . là nhiệt độ c١
ân duy tri
cUa lò diện hoặc buồng sấy). TUy-theo giá trị của Υ χ là nhỏ hơn hay lôn
hơn V ch mà diện áp ra cUa bộ so sánh ΔΥ có giá trị dương h ệ
T hồng
qua hoạt dộng của bộ phận chấp hành) ΔΥ tác dộng lên dối tưỢng chịu sự
díốu khiển dể làm tàn g hoặc làm giảm nhiệt độ Τ χ . Quá trin h cứ th ế tiếp
١

tục cho dến khi nào Τ χ dUng bằng T. (cUng tức là Υ χ bằng Vch) thi Δ V
= Ọ và dối tượng chịu d‫؛‬èu khiển mới d ‫ا‬ιy tri ỏ trạn g thai cân bằng, tương
ứng vơi nhiệt độ T ٠.
Hệ thống trên dây rO ràn g là một hệ kin. Tin hiệu Υχ dược liên tục
so sánh với m dc chuẩn Vch dể tạo ra tin hiệu hồi tiếp ΔΥ, khống chế dối
tượng chịu díốu khiển theo hướng tiến tới trạng thai cân bằng. Mức độ
chinh xác cUa qua trin h này tùy thuộc vào mức độ chinh xác của giá trị
Vch, khả nầng phần ^ ả i 'của bộ so sánh, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ
chinh xác của bộ cảm biến ỏ ngO vào,
Hệ thống d ‫؛‬êu khiển tự dộng cO thẩ hoạt dộng theo nguyên tắc tương
đồng (như ví'dụ trên ), cUng có th ể theo ngưyèn tắc số (tin hiậu d‫؛‬èu khiển
tác dộng rời rạc theo thời ^ a n ).

13



PH ẦN KỸ TH UẬT T Ư Ơ N G Đ ồ N G
(A N A LO G )

Chương 2

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

T hiết bị điện tử bao gồm nhiêu loại linh kiện. Đóng vai trò cơ bản
nhất, quyết định n h ất tro n g hoạt động và ch ất lượng của máy móc điện tử
nói chung là các linh kiện chế tạo từ chất bán dẫn, ví dụ như điốt, tran sisto r,
tra n sito r trường (JFE T , MOSFET,...), các vi m ạch (I.C) v.v... Chúng đã và
đang thay th ế m ột cách hiệu quả cho các phần tử của th ế hệ trước (đèn
hai cực chân không, đèn ba cực, v.v....). Vì vậy, trước khi nghiên cứu các
ứng dụng kỹ th u ật như m ạch khuếch đại, mạch tạo dao động hình sin, tạo
٠
và biến đổi dạng xung v.v... , trong chương 2 và chương 3, chung ta tìm
hiểu v١
ê cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các linh kiện này.

2.1. CHẤT BÁN DẪN VÀ e ơ CHẾ DẪN

đ iệ٠ n

٠

2.1.1. M ạng tỉn h th ể v à liè n k ế t h ó a trị
Các chất bán dẫn điển hình như G ecm anium (Ge), S iliciu m (Si), ...
thuộc nhóm 4 bảng tu ần hoàn các nguyên tố. Chúng cấu tạo từ nhữ n g tinh
th ể có hình dạng xác định, tro n g đó các nguyên tử được sắp xếp theo một
tr ậ t tự chặt chẽ, tu ần hoàn, tạo nên m ột m ạng lưới, gọi là m ạng tin h thể.

Chẳng hạn m ạng tin h th ể của Ge (hơặc S i) có h ìn h tứ d iện .
Để đơn giản, ta có th ể hình dung cấu trú c các tinh thể bán dẫn bằng
mò h ìn h phẳng như H.2.1a. Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn (ví dụ Si)
luôn luôn có 4 nguyên tử khác kế cận, liên kết c h ặ t chẽ với nguyên tử đó.
Mối liên kết được biểu thị bằng hai gạch song song. Mỗi nguyên tử này đêu
có 4 điện tử hóa trị ở Iđp vỏ ngoài cùng. Do khoảng cách giữa các nguyên
tử rấ t gân, các điện tử này chịu ảnh hưởng của cả các nguyên tử xung
quanh. Vì vậy điện tử hóa tr ị của hai nguyên tử cạnh nhau cùng có n h ữ n g


quỹ ẩạo chung như biếu thị trên H.2 ٠
lb. Quỹ đạo chung đó ràn g buộc nguyên
tử này VỚI n ^ iy ê n tử khác, tạo nên mối ỉièn kết hóa trị (cOn gọ‫ ؛‬ỉièn kết
‫ج‬0‫ ا‬đ iệ n tử ١
.

Hình 2.1: Cấu trúc tinh th ể (tt) và liên kết hóa trị (b)

N hư thấy rO tư hình vẽ, do liên kết vdi bốn nguyến tử xung quanh,
lớp vO ngoài cUng của mỗi nguyên tử Si như dược bổ sung thèm 4 diện tử,
nghĩa là đủ số dỉện tử tốỉ da của lớp vO (8 dỉện tử) và do dó٠
, Idp nằy trô thành
ben vững (ít có khả nâng nhận thèm hoặc m ất bớt diện tử). Trong trạn g thái
như vậy, chất bán dẫn khống cỏ điện tích tự do và khbng dẫn điện,
2.1.2. B iệ n tử tự do và lố trốn g - Bán dẫn loại i
T inh trạ n g trốn dầy xảy ra trong một chất bán dân thùằn k h iế t (khồng
lẫn tạp chất) có cấu trUc tinh thể hoàn chỉnh và ỏ nhiệt độ r ấ t thấp
(T = 0 .Κ ). Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao hơn (hoặc dược cung cấp năng
lượng dưới các dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá bỏi cẩc chUm tia
Ѵ.Ѵ...), m ột số diện tử hOa trị nhận thêm nàng lượng sẽ th o át khỏi mối liên

kết vdi các nguyên tử, trỏ thành tự do. ChUng m ang diện âm
(q = 1,6.10 c) và sẵn sầng chuyổn dộng cO hướng khi' có tác dụng của
diện trường. Ta gọi đố la điện tử tự do. Khi một diộn tử tự do xuất hiận, tại
mối liên kết mầ diện tử vừa thoát khỏi sẽ thiếu m ất một diện tích âm -q,
-nghĩa là dư ra một diện tích dương +q. Ta gọi dó là m ật Ib trống (hoặc: zỗ).

Như vậy, trong ch ất bán dẫn thuan kh iết vừa x ét (gội la bản dần í)
có hai loạỉ diện tlch tự do cUng xuất hỉận khi dược cung cấp nàng lượng:
diện tử và lỗ trống. M ật độ của chUng (n١
ồng độ tro n g m ật dơn vị th ể tích)
la bằng nhau và thường ký hiệu η ٤
, p‫؛‬
η٤
= Pi

(2.1)

15


Đ iện tử và lỗ trố n g là hai loại h ạt m ang điện, khi chuyển động có
hưởng sê tạo nèn đòng điện, vl vậy thưòng ứược^gội chung là licLt dẫn.
2.1.3. B á n d ằn lo ạ ỉ N v à b ản d ẳ n loạJ p '
C hất bán d ẫ n 'th ụ ầ n - k h iế t trên,
đâỳ (S i hoặc Ge) nếu dược p.h.a thẽm,
tạp c h ấ t thuộc nhom 5 (ví dụ A senic
Điện từ،
dối vdi Ge hoặc P h ẹ h o r e dối.vớỉ S i)
thứ 5
vdi hầm lượng th lch đángsap. cho 'các

nguyên tử tạp ch ất này chiếm chỗ
một tro n g như.ng nứt ..í٠Ua n^a:ng tin h
thể th i cơ chế d ẫ n diện
t'h'ay
T hật vậy khác với chất cơ ban (νί du
'Si., trẽ n Η.2.2), nguyên tử tap chất
Hình 2.2: M ang tinh th ể c ủ a bán dẫn Ы
(chẳng hạn ۶ ft٠sp٨ỡrC‫ ؛‬yỏ ngoà^
có 5 dỉộn tử, tro n g độ 4 diện tử„ tham gia lièn k ế t hóạ .trị vdi cấc nguyên
tử lần cận ('tương tự ^như,liên k ết tr o n g .m ạng Si tíiuân khỉết). Diện tử thứ
nầm liền kết yếu hơn vđi h ạt n h ấn và các n ^ iy ê n tử xung quanh, cho nên
chỉ cằn dưỢc cun'g cấp -m ật٠
.'nâng lư ợ ng'nhỏ (nhờ nhiột độ, á n h sấng Ѵ.Ѵ...),'
diện tử này sẽ th o á t khỏi trạng. th ấ ٤ ràn g buộc, trơ thành h ạ t dẫn tự ٥٠.
N ^ iy ên tử tạp ch ẩ t khi đó ٥٠٤ ion hỏậ và trỏ th àn h m ột ion dương. N ếu cd
diộn trư ờ n g dặt vào, các h ạ t 'dẫn tự do 'nói trên sẽ chuyển ậ g có hướng)
tạo nèn dồng diận.
N hư vậy, tạp ch ất nhó.m 5 cung c ệ diộn tử cho chất b ấn dẫn ban đâu
nốn dược gọi la tạp chất сЛ . (hoặc tạp ٥٠۶٤٠٤٠). C hất bán d ấn cO pha tạp
donor gọi là bản ٥ẫ۶٤ ‫ ^ ة‬٤٠ N (hoậc ٥٥۶٤ ٥ ẫ ۶٤ ٥٤ệ ۶٤ tó).
N ếu gợỉ Nd la n'ông độ tạp donor (chda trong m ột dơn vị th ể tích của
chất cơ bản) th i khi dược cung cấp nãng lượng dầy dU (chẳng hạn d ặ t c h ấ t
bán dẫn tro n g môi trư ờng cO n.hiệt độ khá cao hơn 0.Κ , ví dụ ở -3 0 .C ),
toàn bộ các n ^ iy ê n tử tạp ch ất đêu dâ bị ion hOa. Nồng độ diện tử tự do
do tạp chất, cụng cấp tương ứ ng sẽ lầ:
nd = Nd

(2.2)

Ngoầi hiộn ‫ ؛‬ượng

phdng diện tử tự do nhờ tạp donor vừa nêu,
rièng ch ất cơ bản vẫn' cO qUa trin h ‫ ة و‬۶٤ 5٤‫ ر ﻵ‬٤ ra từ ng cặp đ iệ n tử - lố ، ۶٠‫ ' ه‬۶‫ﺟﻠﻢ‬
do tá c dộng của n h iệ t đệ (hoặc án h sáng,..), giống như trong bán d ẫn th u ần .
VI vậy, tổng nồng độ diận tử tự do tro n g chất bán dẫn. loại N (ký hiệu n ٥)
sê bằng:

٠

٠٠ = Nĩd + í n

(2.3)
16


Pj‫ ؛‬là nồng độ lỗ trống trong bán dấn N. Như vậy ở bán dẫn này:
n„> > p„

(2.4)

T a gọi điện tử là hạt dẫn đa sô\ lỗ trống là hạt dẫn thiểu số.
Thông thường, người ta bỏ qua vai trò của hạt dẫn thiểu sồ, lấy gân
đúng do٠
i với bán dẫn N:
n ^ -N d

(2.5)

Trường hỢp tạ p chất
pha vào thuộc nhỏm 3 của
bảng tuần hoàn các nguyên '

tố (chẳng hạn bore đổ٠
i với
S i, hoặc in d iu m đối với Ge),
do lớp vỏ ngoài cùng của
nguyên tử tạp chất chỉ có 3
điện tử, khi tham gia vào
m ạng tinh th ể của c h ấ t cơ
bản (ví dụ Si trê n H.2.3) chỉ
tạo nên 3 mối liên k ết hoàn
Hình 2.3: Mạng tinh th ể của bán dẫn p
chỉnh, còn mố٠
i liên k ết thứ
tư bị bỏ hở. Chỉ cần m ột kích thích nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng...) là một
tro n g những điện tử của cá‫ ؟‬mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến th ế
vào liên kết bỏ hở nói trên . Nguyên tử tạp chất lúc đó sẽ trở th à n h một
ion ầm. Tại mối liên kết mà điện tử vừa đi khỏi sẽ dư ra m ột điện tích
dương, nghĩa là xuất hiện m ột /ỗ trống. Nếu có điện trường đ ặt vào, các lỗ
trố n g này sẽ tham gia dẫn điện.
Như vậy, tạp ch ất nhóm 3 tiếp nhận điện tử từ chất cơ bản để làm
sản sinh các lỗ trố n g nên được gọi là tạp chất nhận (hoặc, tạp acceptor).
C hất bán dẫn có pha tạ p nhóm 3 như trên gọi là bản dẫn loại p (hoặc bán
dẫn lố trống).
Cũng như trường hỢp trên, nếu gọi Na là nồng độ tạp acceptor, trong
đfêu kiện ion hóa toàn bộ (ví dụ chất bán đản ở nhiệt độ từ - 3 0 ٠
c ١
trỏ lên),
nồng độ lỗ trống do tạp chất gây ra là:
(2 .6 )

Pa


Ngoài số lỗ trô n g kể trên , trong chất cơ bản vẫn tồn tạ i m ột ít điện
tử yà lỗ trố n g (số lượng băng nhau) do tác động của. nhiệt độ hoặc ánh
sáng gây nên, giô^ng như trong bán dản thuần. Vì vậý, nếu ký hiệu nồng
độ tổng của lỗ trố n g và điện tử trong chất bán dẫn loại p đang x ét là P p
và np thì:

17


Pp

Rõ ràn g

= N٥

-f. np

(2.7)
(2.8)

P p > > Hp

LỖ trố n g là hạt dẫn đa sô\ điện tử là hạt dẫn th iểu số.
T hông thường, nồng độ h ạt dẫn thiểu số là không đ áng kể, do đó đối
với bán dẫn p, người ta lấy gân đúng:
Pp ٥ N ٥

(2.9)


Tóm lại,tùy theo tạp chất pha vào thuộc nhóm 3 hay nhóm 5 m à chất
bán dẫn thuần (bản dẫn i) trở th àn h bán dẫn p hay bán dẫn N . H ạt dẫn
đa số tương ứng là lò trống hoặc đ iệ n tử. Các ngiiyên tử tạ p ch ất khi được
kích thích (nhờ nhiệt độ, ánh sáng...) trở th à n h ion ăm acceptor hoặc ion
dương donor
Cũng cần lưu ý thêm rằn g ở trạng thải cằn bằng, mỗi c h ấ t bán dẫn
đều trung hòa điện, nghĩa là tổng mọi điện tích dương đ ú n g bằng trị số
của tổng các điện tích âm tro n g th ể tích.
2.1.4. G iải th íc h cơ c h ế d ản đ iện th e o lý th u y ế t v ù n g n à n g lư ợ n g
Trên đây đá giải thích một cách định tính sự dấn điện của ba loại bán dẫn dựa trên
cấu tạo nguyên tử. Để có thể tích toán định lượng độ dẫn điện của các chất rắn nói chung.
٠

củng như sự phụ thuộc của điện trở suất vật liệu vào các tham số khác, người ta phải dùng

lý thuyết vùng năng lượng mà dưới dây chỉ dê cập sơ lược,

i . Giản đò năng lượng của điện tử trong chất rắn
Như dá biết, một nguyên tử bao ^ m hạt nhân mang điện dương và các lớp vỏ điện tử
mang điện âm (gọi là lớp K, L, M... đánh số bằng số lượng tử n = 1, 2, 3...). Mỗi lớp này
lại phân thành một số lớp nhỏ (ký hiệu Is, 2s, 2p, 3s, 3p ١ 3d...) và số lượng điện tử tối đa
trên mỗi lớp là một số xác định. Ví dụ các lớp s(ls, 2s hoặc 3s,...) mỗi iớp có tối đa 2 điện
tử, các lớp p (2p, 3p, hoạc 4p,...) mỗi lớp có tối đa 6 điên tử.
٠ Điện tử trên mỗi lớp nhỏ có một năng lư‫؟‬fng

w nhất định. Các giá trị nâng lượng này

là rời rạc, xếp thành nhiêu mức khác nhau. Đồ thị biểu diễn các mức năng lượng có thể của
điện tử trong một nguyên tử cô lập (cách xa các nguyên tử khác) như h.2-1.4. (Con số ghi
trên mỗi mức chỉ số điện tử tối đa của mức đó).

Ta thấy lớp vỏ gân hạt nhân có năng lượng bé nhất. Càng xa hạt nhân, năng lượng
càng tăng, dông thời khoảng cách giữa các mức kế tiếp càng giảm đần. Các mức phía trên

(1)

nghĩa như trên mang tính /y tưởng hóa . Trên thực tế, nhiêu khi trong một chất
bán dẩn có chứa cả hai loại tạp donõr và acceptor. Khi N ‫؛‬٤ > N ٥ , chất bán dẩn sẽ thể
hiện như một bán dần loại N. Tương tự khi Na > Nd: bán dẫn loại p. Còn khS
N ‫؛‬٤ ٥ N ٥ : coi như bán dẩn i

18


rất sít nhíiU, gân như liên tục. Điện tử có xu hướng

w

những lớp vỏ phía trong trước. Sau đó, khi các lớp bên

4d .-.-...-Cr-.■
IU • · · · »
3d

trong đả đ.ây mới “chiếm” dẩn ra ngoài. Vì vậy các lớp

4p

phía trong có đủ số điện tử tối đa (gọi là lớp đay hoặc

4S


“chiếm” các mức năng lượng bé trưóc, tức là ?،ếp t/ên

mức đầy), lớp phía ngoài thường chưa đầy hoăc còn
trống. Chỉ các điện tử trong lớp vỏ cl.i‫؛‬a đầy mới có
khả n،٩ng thoát khỏi trạng thái ràng buộc trở thành tự

3p
3S

do.
Trong mạng tinh thể chất rắn, các nguyên tử

2p

không đứng đơn độc mà sắp xếp rất gân nhau, tương
tác với nhau. Vì vậy trạng thái năng lượng của điện tử

2S

bị thay đổi. Mỗi mức năng lượng, đãc tníng cho từng
lớp nhỏ trong nguyên tử cô lập trước đây, bây giờ bị
phân ly thành rất nhiêu mức khác nhau, kế cận nhau,
tạo thành một vùng năng lượng. Số lượng mức trong
mỗi vùng là rất lớn (bằng số lượng nguyên tử tạo nên

1S

mạng tinh thể), khoảng cách giữa các mức chỉ rất bé,
vì vậy coi mỗi vùng năng lượng như liên tục. Tùy theo

cự ly giữa các nguyên tử, tức là tùy theo “hằng số mạng

Hình 2,4: Các mức nặng lượng
của điện từ trong nguyên tử cô lập

tinh th ể” của mỗi nguyên tố, mà đ'ô thị vê các vùng năng lượng củâ mỗi nguyên tố một khác
nhau: các vùng năng lượng cho phép (tương ứng với từng mức rời rạc trước đây) sẽ hoăc gối
lên nhau, hoăc tách rời nhau, cách nhau bởi những vùng không có mức cho phép (vùng cấm).
Hình 2.5a minh họa quá trình phân ly các mức năng lượng thành vùng nâng lượng khi

b)

a)

Hình 2.5: Phân ly các múc thành vùng năng lượng

19


khoảng cách giửa cầc nguyên tử d giầm ề n đối với trường hỌp Berlum. Tương ứng với cự ly
d . của mạng tinh thể Berium (Be), ^ ẳ n đồ ١^ n g nang lượng (còn gọi la cấu trUc vũng nang
lượng) cỏ dạng như H.2.5b.
Ta' thẩy mức d٠ãy 2s và mức trống 2p phần ly thành hai ٦^ n g gối lẽn nhau, tạo thành
một vUng chung chưa dầy. Khi dược kích thich. các diện tử trong vUng này dễ dàng nhận
thêm nang lượng dể nhẩy lèn chiếm những mức còn trống phía trên, nghĩa là trở thành diện
tử tự do và chUng sản sàng chuyển dộng có hướng tạo nên dOng diện khi có diện trường tac
dụng.
VUng năng lượng tương ứng với các mức dã có dU số diện tử tối da chiếih giữ dược gọi
là ١^ n g dày. VUng nang lượng ứng với Cấc mức còn trdng gọi là ^ n g trdng. Phạm vi giữa
hai vùng, không chừa những mức nang lượng cho phép 'cUa diện tử, dược gọi là vUng cẩm.

Thôhg thường, n^tòi ta chi quan tam dến các diện íử có khẩ nang dẫn diện, tức la các
diện tử ớ lớp vổ ngoài cUng. VUng nang lượng ứng yới chilng gọi là vUng hóa trị. VUng trống
phía trên (k.è sát hoặc cách ly bởi ^ n g cẩm) dược gọi là vUng dẩn diện (hoặc ^ n g dẫn).
Người ta chl chU ý dến các ١^ n g này, cồn các ١^ n g cấm và ^ n g đầy tương ứng vdi cắc lớp
diện tử phía trong, ít dược dể ý.

2- Sự dẫn điện cua kim lóạiy điện môi và bán dẫn
Giản đô vùng nàng lượng ỏ 0 .Κ là cơ sở để phân biệt ba loại vật rắn
điển hình: kin^ loại, điện mồi và bán dẫn.
Dối vdi kim l ặ ) giản dồ vùng n àn g lượng cO dạng như hlnh 2.6a. ở
dây, tương tự như trư ờng hợp B erinm vừa giới thiệu ỏ trốn, vUng dấn và
vùng hóa trị gối lèn nhaU) khồ.ng cO W n g cấm xen vào gida. Vì vậy, ngay
ỏ n h ‫؛‬ệ t độ xấp ΧΪ G.K, diện tứ da cO th ể nhảy lẽn chiếm n h ứ n g mức cồn
trố n g của ^ n g dẫn, trỏ th à n h tự do và th am gia dẫn diện./
Dồ'i với chát đ iện m ôi {chất c k h điện)) víing dẫn cách vUng hổa trị
m ột b'ê rặn g vùng cấm Wg tương đối lớn (H.2.ổb). ở 0 .Κ vUng dấn hoàn
toàn trống, không cO.
diận tử, do đu chất
diện mổi .khbng dẫn
d٤
،n . T rong vUng hOa
trị khồng có m dc
trố n g cho nèn diện tử
không th ể thay dổi
nâng lượng. Mưốn trồ
th'ành tự do dể tham
gỉa dẫn diộn, diận tứ
của vùng hda tr ị phải
dược cung, .cấp m ật
nầng lượng r ấ t Idn, dứ


— Vuna dẫn—

Vùng dấn

‫ح‬

w.
^ưùng;hóa trị:

Vùng
hóa tr!

a)

b)

c)

H ình 2.6: G ỉ ầ đồ vùng năng ỉưọng của kim h ạ i (a)
âiện m ôi (b) ٠۶۵ bđn dấn (c)

20

Wr
Wv


sức vượt qua bề rộng vUng cấm đe chic'm các miíc còn trố n g của vUng dẫn.
N hưng do Wg lớn, khả n ٠

٩
ng nàỵ khó xảy ra. Vì v ậ y tro n g d‫؛‬êu kiện binh
thường, dù cO diện áp d ặt vào, chất diện mOi vẫn là ch ất cách diện.
T rường hỢp chất bản dẫn thuan (H.2.6c) b١
ê rộ n g vUng cấm hẹp hơn
nhíêu so vơi chất diện mOi (ví dụ Si có Wg = 1,1 eV, Ge có Wg = 0,7 eV).
VI vậy, khi dược cung cấp nàng lượng, một số diện tử trong vUng hóa trị
cO th ể vượt qua vUng cấm , nhảy lên chiếm các m dc phía dưới cUa vUng
dẩn dể tham gia dẫn diện. Quá trinh này tương ứng với hiện tưỢng xẩy ra
tro n g cấu trUc n ^iy ố n tử da nói tdi ở mục 2.1.2: diện tứ hóa tr ị thoát khỏi
trạ n g thái ràn g buộc, trỏ thành tự do. Mdc nàng lượng trong vUng hóa trị
m à diện tư vừa rời di khỏi, trước dây dã dược dặc trư n g bằng 1‫ ة‬trống. )
Khả năng dẫn diện của chất bắn dẩn tốt hay xấu tủy thuộc vào số lượng diện tử tự do
trong vUng dẩn và số lượng lỗ trống trong vUng hOa trị. Con số này lại phụ th ١iộc hai yếu
tố:
٠ Số lượng mức năng lượng trong vUng dẩn và trong vUng hda trị (hoặc nói cách khác:

mật độ phân bố mức nâng lượng trong hai vùng dó)
- Tinh trạng có hay khỗng có diện tử trên mỗi mức cUa vUng dấn, có hay khOng cO lỗ
trống trốn mỗi mức cUa vUng hóa trị. (Nói cách khác: xác suất chỉếm mức năng lượng cUa
diện tử trong vUng dấn và lổ trống trong vUng hOa trị).
Vật ly thống kê và cO học lượng tử dà xác định dược các hàm phân bố và xác suất nói
trèn. Từ do tinh dược nồng độ hạt dẩn trong cb.ất bán dẩn:
‫ﻟﻢ‬

Wc - Wf

n = N ٠ exp

( 2 . 10)


kT
‫ﻟﻢ‬

p = N ٧ cxp

VVr

- w١
,

( 2 . 11)

kT
trong dO: ١٧c là mdc nâng lưong th.٩'p nhất, (đáy) c.ủa vUng dấn‫؛‬

w٧ là

mức nâng lượng cao

nhất (đỉnh) cUa vUng hda trị (xem Η.2 ‫ﻣﺔ‬١‫ ا‬: k 1.'١ hâĩ\g số Bolgman‫ ؛‬T : nhiệt độ tuyệt dối cUa
chất bán dẩn‫ ؛‬Wp la năng lượng Fecmi (cOn gọi. mức Fecmi) dại diện cho nâng lượng lớn
nhất mà diện tử cO ở 0 .Κ (hoậc nàng lượng mà xác suất diện tử cd giá trị dO chỉ là .50% khi
‫ ؤ‬nhiệt độ lớn hơn 0.Κ). Vị tri cUa mức Fecmi trốn giản đồ nang lượng tUy thuộc vào loại

t ٤٠١p chất vầ ٣'ông độ cUa chUng.
Nc. N ٧ lần lượt la mật độ trạng thái hiồu dung cUa vUng dần vả vUng hóa ti.ị. Giá trị

cửa chUng ‫ذ‬al'g theo nhiệt độ


(ty

lê với T‘

)

Lấy tích số cUa (2.10) và (2.11), lưu y rằng: Wc - Wy = Wg (bê rộng vO.ng cấm)
ta di d.‫ ؛‬n:

n p ^ N c^ v .x p

!i

( 2 , 12)

!،T

21


Như vậy. tích số nồng đ٨ hạt dẫn đa số và thiểu số trong chất bán dẩn chỉ phụ thuộc
nhiệt độ và b'ê rộng vùng cấm. không phụ thuộc vị trí mức Fecmi, nghĩa là không phụ thuộc
vào nòng độ tạp pha v^o.
Đối với chất bán dẫn thuần:
____

n ٤ = p٤ =

VNcN٧ exp


[ _ ^ .١
١ 2kT f

(2.13)

Ta thấy nồng độ hạt dẫn (và do đó cả độ dẫn điện) của bán dẫn tâng rất nhanh theo
nhiệt đò
’

r
.^3/2
/ -v ٧
e\l
tỷ lệ với T
exp [ ----- ^1 I
L
٠
\ 92kT
kT/J

Do tích np không phụ thuộc nồng độ tạp chất, hệ thức (2.12) thường được viết lại dưới
dạng:
2
np = n ‫؛‬

(2.14)

Biểu thức này đặc trư n g cho mọi chất bán dẫn ở trạ n g th ái cân bằng.
3, Bán dẫn loại N và bấn dẫn loại p
T rên hình 2.7 là giản đồ năng lượng của điện

tử tro n g bán dẫn N . Tạp ch ất donor có mức n ăn g
lượng
nằm tro n g vùng ọấm, gần sất đáy w .
củc vùng dẫn. Vì vậy chỉ cần nhận được m ột n ăn g
lượng bé là điện tử hóa trị của tạp này nhảy từ
mức W‫؛‬J lên vùng dẫn, trở th àn h tự dOy còn nguyên
tử donor trở th àn h ion dương. (Quá trìn h “nhảy
m ức” này tương ứng với hiện tượng đâ mô tả
trong cấu trú c nguyên tử trước đây: điện tử th ứ
năm liên kết yếu với h ạt nhân và các nguyên tử
xung ouanh, dễ dàng trở th àn h điện tử tự do).

w ,.

w١

H ình 2.7: Giản đo vùng
năng luựng của bán dẫn N

ở nhiệt độ bình thường, năng lượng n h iệ t m à các điện tử nh ận được
đả vượt xa giá t r ị năng lượng cần th iết nói trê n , vì vậy tro n g vùng dẫn
luôn luôn có điện tử tự do và toàn bộ tạp donor đ١
êu bị ion hóa. T rong điêu
kiện đó, nồng độ điện tử tự do của bán dẫn N xác địn h theo (2.3;:
‫'؛‬n

^d

‫ ؟‬n ^ ^d


Còn nồng độ lỗ trố ٠
ng suy ra từ (2.14):

n.

n.

n

N.

١

Pn =

١

١

(2.15)

Ta thấy, do ncng độ n ٤tăng nhiêu theo nhiệt độ [xem (2.13)] nên nống
٠

22

،


tip hạt dẫn thiểu số càng tăng nhanh theo nhiệt

độ.
T rên hình 2.8 là giản đồ nàng lượng của điện
tử tro n g bản dẫn loại p. Tạp acceptor có mức năng
lượng W3 nằm trong vùng cấm, gan với đỉnh w ١
,
của vùng hóa trị. Khi được cung cấp một năng
lượng tương đối bé (nhờ n h iệt độ, ánh sáng v.v...),
điện tử từ các mức phía trê n của vùng hóa trị sẽ
nhảy lên chiếm mức w٥ , để lại những mức trống,
tức là những lỗ. Còn nguyên tử tạp chất trở thành
ion âm.

w.
w ٥. .

w٥
© w١

Hình 2.8: Giản ẩò vừng
năng lượng của bán dấn p

Quá trìn h này tương ứng với hiện tượng một trong các mối liên kết
của tạp chất nhóm 3 bị bỏ hở, điện tử từ nguyên tử bên cạnh đến th ế chỗ
và làiii xuất hiện các lỗ trống.
T rong điêu kiện toàn bộ tạp chất bị ion hóa (điều này thường xảy ra)
nồng độ lỗ trống trong bán dẫn p xác định theo (2.7):
١٠

Pp


Còn nồng độ hạt dẫn thiểu số thì xác định dựa vào (2.14):

np =

n١
.

n٠
.

Pp

N٠

( 2 . 16 )

Cũng như trường hợp trên, rõ ràng là nong độ này tăng nhanh theo
n h iệ t độ.

2.2. CHUYỂN ĐỘNG TRÔI VÀ KHUỂCH TÁN CỦA HẠT DẪN
2.2.1. Chuyển đông trôi
N hư đá biết, nếu đặt điện tử hoặc lố trống vào mòi trường chân khòng
thì khi có đ iện trường tác dụng, các hạt dẫn này sẽ chuyển động có gia
tốc (nhanh dần đêu hoặc chậm dần đêu), ở trong m ạng tin h th ể của chất
rán, tình hình xảy ra không hoàn toàn như vậy. Mạng tinh thể chứa rấ t
nhiều nguyên tử (kể cả các tạp chất), chung luôn luôn dao động vì nhiệt.
Vì vậy khi chịu tác dụng của điện trường, các hạt dẫn trê n đường chuyển
động có gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tử của m ạng tinh thể. Mỗi lần
va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiêu của vận tôc nghĩa là làm tản xạ
chúng. Chuyền động của h ạt dẫn trong mạng tinh th ể chất rắn dưới tác

dụng của điện trường như vậy được gọí là chuyển động tròi (hoặc chuyển
động cuốn).

23


T rong chuyển động trôi, vận tốc trung bình của điện tử và lỗ trố n g sẽ
tỷ lệ với cường độ điện trường (hoặc gradien điện thế) đã gây ra chuyển
động đó:
d^
V
(2.17)
V n = 1 n E = /،n
dx
V٠p = ، U p E== _1 p

dy>
(2.18)
dx
Hệ số tỷ lệ tro n g hai hệ th d c trê n gọi la độ lin h động của diện tử {jLin)
hoặc của lỗ trố n g (>p). Vê ý nghĩa, chUng la vận tốc tròi trung bin h của
h ạt dẫn tro n g diện trường bằng dơn vị (1 v/cm). T rị số của ‫ﻟﻢ‬، phụ thuộc
vào n h iệt độ, vào nồng độ tạp chất. Ngoài ra, khi diện trường quá lớn, nó
cOn phụ thuộc cả vào cường độ diện trường, ở nhiệt độ thường (300.K ),
giá tr ị điển hình của chUng như sau:
T rong Ge : jUn : 3800 cm2Ạ^.S, Hv = 1800 cm^/V.S
T rong Si : 1300 ‫ﻟﻢ‬،‫ل‬
‫ت ا‬c m 2 ^ .s ,

Ịiỹ = 500 cm2./v.s


DOng diện do chuyển dộng trOi
của h ạ t dẫn gây nèn dược gọi là dbng
điện. trbt.
Để xác định dòng này. ·ta giả thiết dạt
chất bán dẫn (có nbng độ diện tử và lỗ trống
là n, p) vào trong diện trường cường độ E như
H.2.9 (E dương vì trùng với chíêu dương cUa
trục x).
SỐ lượng diện tích di qua một dơn vị tiết
diện, trong một dơn vị thơi gian (tức mật độ
dOng trdi). sẽ là:
0n)tr =

(-q)n ٧n

Hình 2.9: Chuyển động trôi của hạt dẫn do
tác dung của điện t r ẳ g
(2.19)

‫ ت‬qn،Un E

ũp)tr = q p ٧ p = qp^^pE

(

2 . 20 )

(Vn cO dấu ầm vl diộn tử chạy ngược chíêu.trục x).. Hai dOng này cUng chíêu. Vì, vậy
mật


độ dOng diện trôi tổng hợp sẻ bầng
( 2 . 21 )

J'tr 0‫ ﺀ‬٠p)tr + ũn)tr = q(p/^p + n fin) E
Mạt khác, nểu

p là diện trở suất

1
(hoặc ơ = — là diện dần suất) cUa chất bán dẫn

:

٠

٠

dang xét thl dỉện trở cUa khối bán dẫn vẻ trôn H.2.9 xác đ ịn h 'bơi:
1
11
R :p l= !l
-

s

trong dO 1 là chíêu dài.

( 2 . 22)


٠s

s là tiết diện cUa khối bán dẩn.

24


Khi có điện áp V đạt vào, mật độ dòng điện trôi qna chất bán dẩn xác định dược theo
định luật Ohm:
‫ _ ذ‬I _ V
Jtr - ‫— ي‬:

s

(2.23)

SR

Thây R theo (2.22), d.ồng thời giả thiết diện trường trong khối bán dẫn là d'êu:

٧

E = ‫ ذ‬, ta di dến:
1
( 2 .24 )

jtr = o E
So sánh (2.24) với (2.21), ta xảc định dược diện dẫn suất của chất bần dẫn:
ơ = q(p/،p + ،v،n)


(2.25)

Rõ ràng ٣'ống độ hạt đẫn càng !ởn, độ linh áộng của hạt dẩn càng cao thỉ diện dẫn
suất của chất bán dẫn càng Idn (hoặc diện trở suất càng nhỏ)
Trường hợp bán dẩn thuần (nị■ = Pi):
ơ[ = qniC،íp + ,Un)

(2.25a)

Bán dẩn loại N (nn > > Pn):
( 2 .255 )

" n = qnn^،n
COn bán dấn loại p

(Pp > > np)..
( 2 . 2ỖC)

ơ p ٥ q p p ٠^ p

2.2.2. C hu yển đ ò n g k h u ếch tán
T rong chất rắn, ngoài hinh thưc chuyển động trôi dưới tá c d ụ n g củs
diện trường, các h ạt dẫn cOn chuyển động khuếch tản. D ạng chuyển dộng
này xảy ra cho mọi phần tử vật chất
có sự pHcin hổ hhòĩig đòĩig đ èu
trong th ể tich (nói cách khác: khi
gradien nòĩig độ khốc kKồngV
‫ا ل آ ل آ‬

١


Dô'i với ch ất bán dẫn, khi nông độ
diện tử hoặc 1‫ ة‬trố n g phần bố khOng
đông đêu, chUng sẽ khuếch tán từ nơi
nồng độ cao v.ê nơi nồng độ thấp. DOng
diện do chuyển dộng có hưdn.g này gây
ta ducc g، ọ\ \a dbng đ iệ n khuếch tán.
٠

Để dưn giản, giả thiết nồng độ diện tử và
lỗ trống chỉ phần bố khổng d٠êu theo một phương
x nào dó'(H .2.10). Số lượng hạt dẩn khuếch tán
qu.a một 'dơn vị tiết diện trong thời gian dt sẻ
r

25

Hình 2.10: Phân bokhông đều của hạt
dân gâv nen chuyển dộng khuếch Idn


tỷ lệ với mức chênh lệch nồng độ í ‫ ئ‬h٠ạc · ! } cOn gọi: gradien nOng đội và tỷ lệ vởi thời
.V d x
٠ dx
٠
.‫ر‬
gian d t:
dp
dP = - D p ! d t
dx

dN = - D n-

dn

(2.26)

(2.27)

dt

dx

(dấu trừ vì khuếch tán và phía nồng độ giảm).
Hệ số tỷ lệ Dp, Dn dược

là hệ số khuếch tán cUa 1‫ ة‬trống vạ của diện tử.

Mật độ dOng diện khuếch tán d٠ ' chuyển dộng .trên gầy ra (chíẽu dương quy ước lầ chíèu
trục x) sẽ là:
٠

‫ ا د‬٠١

-

Jkt = ũp)kt + ũn)kt

d P i , ١ễ
dt


+ (i) ‫ب‬
dt

dn ٣١ dp١
= i D p dp
! + qDn— = q ((D‫ه‬n٠‫ﺣﺔ‬- ‫) ؟ﺀه‬
dx
dx
‫اا‬
dx
dx
dx/

(2.28)

Trong ví dụ nêu trèn Η.2.10, theo chíêu trục X, nOng độ p giảm d٠ần, còn nồng độ n
tâng dần. nghĩa là ‫ ﻗﻲ‬âm, còn ‫ ﺛﻲ‬dương. Vì vậy hai số hạng trong (2.28) là cUng dấu, nói
dx
dx
cách khác: dOng diện khuếch tán cUa diện tử và lỗ trống la cUng chíêu. Dây chinh là trường
hợp cUa chuyển tiếp Ρ-Ν (hoặc diốt bán dẫn) mà ta sẻ dê cập ở phần sau.
Hệ số khuếch tán D.p, Dji phụ thuộc vào nhiệt độ và độ linh dộng cUa hạt dần. Người
ta có hệ thức Einstein sau dầy:
Dp = (ΡΎΜ?
٠ η = ۴ τ."η

(2.29a)
.

(2.29b)


Trong dó φ τ là một hằng sÇ, phụ thuộc nhiệt độ và cO thứ nguyên cUa diện thế. gọi
la diện thế nhiệt:
n = ‫؛‬I
q

(2.30)

k: hàng số Bolzman
q: diện tích diện txX
T: nhiệt độ tUyệt dối cUa chẩt bán dấn.
ở nhiệt độ thường (T 300 ‫ آ‬.Κ), thay giá trị k và q vào sẽ cO:
١^T = 0,025V = 25mV

2.3. CHUYỂN ΤΙΕ'ρ Ρ .Ν vA

(2.31)

٠

‫أ‬

ẶC Τ‫؛‬ΝΗ CH NH ‫ ا‬٧
٧

Sau khi đã có khái niệm v١
ê cơ ch ế dẫn-ổiện cUa từ n g loạ‫ ؛‬bán dẫn

26