Hướng dẫn ôn thi lý thuyết môn Vật lý bán dẫn học kì 2 - Năm học 2015-2016

Nội dung text: Hướng dẫn ôn thi lý thuyết môn Vật lý bán dẫn học kì 2 - Năm học 2015-2016

1. ĐHBK TP HCM–KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ GV: Hồ Trung Mỹ Hướng dẫn ôn thi LT môn Vật lý bán dẫn HK 2 – Năm học: 2015-2016 Chú ý: Đề thi trắc nghiệm với tổng số câu tối thiểu là 50. Số đề: 4 đến 8 Đề thi không cho sử dụng tài liệu Trọng tâm ôn thi của các chương như sau: Chương 4. Chuyển tiếp PN Chuyển tiếp PN o Kể tên 4 bước chính trong quá trình planar để chế tạo chuyển tiếp PN. Tác dụng của lớp SiO2 là gì? o Định nghĩa của chuyển tiếp PN loại bước (step), loại biến đổi đều (graded) o Sự tạo thành chuyển tiếp PN: Hình 4.1 (a) Các bán dẫn (được pha tạp chất đều) loại P và N trước khi tạo thành chuyển tiếp. (b) Điện trường trong miền nghèo (depletion region) và giản đồ dải năng lượng của chuyển tiếp p-n ở điều kiện cân bằng nhiệt Chuyển tiếp PN chưa có phân cực (với chuyển tiếp bước) (chuyển tiếp PN ở điều kiện cân bằng) o sự hình thành miền nghèo-chuyển động của hạt dẫn? o miền nghèo, miền trung hòa. Thế nội khuếch tán Vbi (hay  B ) hay rào thế Miền điện tích không gian (miền nghèo) NWA PDN NW kT NDA N n n00 p p VVV ln ln ln 1 bi 2 T T qnpni pn00 VEWbi m 2 Chú ý: E là điện trường cực đại tại giao tiếp m 2 V 11 của P và N, W là bề rộng miền nghèo của Sbi WW PN W chuyển tiếp PN, WP (còn gọi là xp) là bề rộng qNN AD miền nghèo bên bán dẫn P và WN (còn gọi là qN W qN W E DN AP xn) là bề rộng miền nghèo bên bán dẫn N, và s m  là hằng số điện môi của bán dẫn. SS Các phân cực có thể có ở chuyển tiếp PN Làm sao nhận biết chuyền tiếp PN đang ở tình trạng: không phân cực, phân cực thuận, hay phân cực ngược? (dựa vào VA = VP – VN, với VP là điện thế tại P [anode] và VN là điện thế tại N [cathode]) Chuyển tiếp PN được phân cực thuận (forward bias) (với chuyển tiếp bước) o Phân cực thuận? (VP > VN). o Khi phân cực thuận tăng thì : miền nghèo giảm và điện trở miền nghèo giảm. HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 1/14
2. Điện dung miền nghèo của chuyển tiếp PN Xét chuyển tiếp PN với phân cực ngược (VA= –VR 10 M d Chú ý: Với tần số cao thì có thêm điện dung song song. Điện trở động rD và điện trở tĩnh RD của diode o Điện trở động rD hay rd (còn gọi là điện trở AC) dVDTT V V kT o rD (ở T=300 K thì rD 0.025V/ID) dID IDQ I qI Q với VD, ID là áp và dòng qua diode, IQ là ID ở điểm làm việc Q. o Điện trở tĩnh RD (còn gọi là điện trở DC): RD=VD/ID=VQ/IQ Điện dung chuyển tiếp PN o với phân cực ngược: có điện dung chuyển tiếp CJ [F] (J=junction=chuyển tiếp) )  A CAC . S JdepW với A: diện tích mặt cắt ngang; S hằng số điện môi bán dẫn; W: bề rộng miền nghèo. HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 3/14
3. Hình 5.1 Ký hiệu của hai loại BJT: (a) PNP và (b) NPN. Ở ký hiệu BJT thì mũi tên ở cực E có ý nghĩa gì? Các dòng điện trong BJT ở chế độ tích cực [thuận]: Dòng điện rĩ (rò) ICBO (dòng từ C đến B với E hở mạch) và ICEO (dòng từ C đến E với B hở mạch) trong BJT (nhiệt độ tăng dẫn đến dòng rĩ tăng) o cấu hình CB: IC = IE + ICBO o cấu hình CE: IC = IB + ICEO với ICEO = ICBO/(1- ) Hệ số vận chuyển miền nền B, hiệu suất cực phát E? Chúng phụ thuộc như thế nào với các tham số của BJT (nồng độ tạp chất, bề rộng miền nền)? BJT tốt có B, E tiến gần tới 1. o Hiệu suất cực phát E I p DW  11EP e0 E B e I nDL EN b0 B E 2 2 với pe0 = ni /NDE ; nb0 = ni /NAB ; WB = bề rộng miền nền DE = hệ số khuếch tán của hạt dẫn thiểu số tại E = Dp DB = hệ số khuếch tán của hạt dẫn thiểu số tại B = Dn LE = chiều dài khuếch tán của hạt dẫn thiểu số tại E= Lp HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 5/14
4. Các cấu hình mắc BJT: (Như 1 mạng 4 cực với: Bên trái là mạch vào và Bên phải là mạch ra) a) CB = Common Base = B chung b) CE=Common Emitter=E chung c) CC=Common collector=C chung Hình 5.3 Các cách mắc BJT NPN trong mạch Hãy nêu đặc điểm của các cách mắc với ứng dụng khóa điện tử và mạch khuếch đại? Phương trình các dòng điện trong BJT NPN ở chế độ tích cực thuận: Dòng [điện ở cực] thu IC Dòng [điện ở cực] nền IB Dòng [điện ở cực] phát IE VVBE BE VBE VBE IIV I II VVTT CST E CSVT I Ie 1 Ie I I IeB I eI  1 CS S B E   1 EB 2 qAEni D n với IS là dòng bão hòa: IS NWABn trong đó AE là diện tích mặt cắt ngang tại miền phát, NA là nồng độ tạp chất Acceptor tại miền nền và WBn là bề rộng phần trung hòa trong miền nền. Các Đặc tuyến Volt-Ampere của BJT (còn gọi là các đặc tuyến I-V) a) Đặc tuyến vào b) Đặc tuyến ra Hình 5.4 Các đặc tuyến vào và ra của BJT NPN mắc CE Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đặc tuyến của BJT (TD với BJT NPN) HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 7/14
5. Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT (tần số trung bình) (a) Mô hình (mắc CE) (b) Mô hình T (nếu không bỏ qua ro được thì sẽ có điện trở ro nối từ C đến E) Mô hình tần số cao của BJT ở chế độ tích cực: (C =Cbe, C=Cbc) Tần số cắt fT (khi đó ac =1) 1 gm ffT  0 f 2  ec 2 CC  Với  ec là thời gian điện tử đi từ E đến C với BJT NPN mắc CB ở chế độ tích cực, f và f là các tần số mà ở đó ac và ac giảm đi 2 so với trị số ở tần số thấp, và 0 ( dc=hFE) là giá trị của ac ở tần số thấp. Mô hình tham số h. Các tham số h cho BJT cấu hình CE: vBE vbe ' VVTT hrrie be   ac r e  iiB II VCE bEQCQvCE 0 iC ic hghfeac mie iiB VCE b vCE 0 ICQ 1 gm ' VrTe VV 1 vCE vce ACEQ VA rrcO (nếu VA >> VCEQ) hi C i I I oeIB ciB 0 CQ CQ Chú ý: dc = hFE = IC/IB ; ac = hfe = ic/ib (ở tần số thấp và trung bình: ac dc=) HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 9/14
6. Chương 7. MOSFET MOSFET có cách lý giữa cổng và kênh dẫn bằng lớp cách điện, thành phần cơ bản là kim loại (M=Metal), lớp cách điện SiO2 (O=Oxide), và bán dẫn (S=semiconductor). Các tên gọi khác của MOSFET là MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor), IGFET (Insulated Gate FET). Nguyên tắc hoạt động của FET là dòng hạt dẫn từ nguồn điện máng được điều khiển bằng điện áp cổng hay điện trường cổng. Điện trường này làm cảm ứng điện tích trong bán dẫn ở giao tiếp bán dẫn-oxide. Cấu trúc của MOSFET MOSFET loại giàu MOSFET loại nghèo (còn gọi là MOSFET kênh dẫn chưa lắp sẵn) (còn gọi là MOSFET kênh dẫn lắp sẵn) Ký hiệu của EMOS: N-EMOS P-EMOS Mô tả định tính hoạt động của N-EMOS HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 11/14
7. Khi VDS nhỏ (có thể hoán đổi D và S) thì có thể xem Ở miền bão hòa VDS VDS,sat như điện trở được điều khiển bằng áp (VGS3> VGS2> VGS1>VTN) Khi VDS tăng, điểm nghẹt di chuyển về phía cực nguồn Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của N-EMOS Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra BVDSS= điện áp đánh thủng giữa DS khi ngắn mạch ở cổng Các phương trình dòng điện máng ID trong N-EMOS VGS VTN : miền tắt ID=0 VGS > VTN : (VDS,sat = VGS – VTN ) o 0 < VDS < VDS,sat : miền tuyến tính (còn gọi là miền Ohm, miền điện trở hay miền triode) 2 W VDS ICD  n ox VVV GS TN DS L 2 với n là độ linh động điện tử và Cox là điện dung lớp cách điện trên 1 đơn vị diện tích. Nếu VVVDSGSTN 2 thì ID là hàm tuyến tính theo VDS: (có thể hoán đổi D và S) W I  CVVV D noxL GS TNDS 1 Khi đó MOSFET tương đương với điện trở R (R hay R ): R DS ON DS,ON DS W  CVV noxL GS TN 1 W 2 o VDS VDS,sat = VGS –VTN : miền bão hòa (còn gọi là miền tích cực) với ICVV  DnoxGSTN2 L Người ta thường ứng dụng miền tắt và tuyến tính cho MOSFET làm khóa điện tử, và miền bão hòa cho MOSFET làm phần tử khuếch đại tín hiệu hoặc làm nguồn dòng. Một số đặc tính không lý tưởng của MOSFET (Xét N-EMOS ở miền bão hòa) o Điều chế chiều dài kênh dẫn: tương tự hiệu ứng Early trong BJT, khi tăng VDS thì điểm nghẹt dịch chuyển về miền nguồn, dẫn đến chiều dài kênh dẫn hiệu dụng nhỏ hơn hay dòng ID tăng lên. Khi đó phương trình dòng điện máng có dạng 1 W 2 1 ID noxCVV GS TN1 V DS với  và VA là điện áp Early 2 L VA o Hiệu ứng thân: khi tăng VSB làm điện áp ngưỡng VTN tăng ảnh hưởng đặc tuyến I-V. HD ôn thi-VLBD-AY1516-S2–Trang 13/14