Giáo trình vật liệu điện, điện tử phần 2 trường đh công nghiệp quảng ninh

92 Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN 4 1 Khái niệm chung về bán dẫn 4 1 1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn 4 1 1 1 Vùng năng lượng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử Tro[.]

Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN

4.1 Khái niệm chung về bán dẫn

4.1.1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn

4.1.1.1 Vùng năng lượng trong chất rắn

Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập, không tương tác với nhau Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc Trong số các mức năng lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nó

mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể Khi có 2 nguyên

tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau Do đó, mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một vùng năng lượng khoảng một vài eV Do vậy, khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron

Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép Những electron ở vòng quĩ đạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất Vì vậy, có vùng năng lượng rộng nhất Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập

Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể

Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử

Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm

4.1.1.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay

bỏ trống Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được

điền đầy Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện

Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài

eV Do vậy, các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện

Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1eV Ở 00K chúng là chất cách điện Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống

 - Electron tự do trong vùng dẫn

 - Lỗ trống trong vùng hóa trị

Hình 4-1 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích dương

Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính là thế năng của electron Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống Nếu electron

ở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị

Hình 4-2 Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron

4.1.1.3 Phân loại VLBD

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn

từ trường và bán dẫn lỏng

Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản gồm Bo (B), Silic (Si), Germani (Ge), Photpho (P), Asen (As), Lưu huỳnh (S), Selen (Se), Telua (Te), Iốt (I)

Các chất Germani, Silic và Selen có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật hiện đại Bán dẫn hợp chất hóa học là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep tương ứng với dạng tổng quát AIVBIV (SiC),

AIIIBV (InSb,GaAs) và một số chất có thành phần phức tạp.(Các VLBD liên kết như GaAs, ký hiệu chung AIIIBV, chỉ sự liên kết của nguyên tố có hoá trị III là Ga với nguyên tố có hóa trị V là As)

4.2 Điện dẫn của bán dẫn

Theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất, bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn có trị số khoảng 1-3eV Bảng 4-1 đưa ra số liệu bề rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn

Bảng 4-1 Số liệu bề rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn

Theo sơ đồ năng lượng của bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T nào đó ở vùng dẫn đã có một vài điện tử chuyển qua và tạo nên vùng hóa trị một số lỗ trống , vì với mỗi một sự chuyển dời điện tử trong bán dẫn đồng thời tạo ra hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số các hạt mang điện sẽ bằng hai lần số điện tử tự do ở vùng dẫn

4.2.1 Cấu trúc tinh thể của VLBD

Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị

Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình 4-3: Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge (hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên tử đều có hóa trị 4

Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng như ở hình 4-3 là gần đúng và tinh thể bán dẫn như là một chất cách điện

Hình 4-3 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử

và làm gãy một số nối hóa trị Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường Tại các nối hóa trị

bị gãy ta có các lỗ trống (hole) Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị) Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị

Hình 4-4 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ

Cấu trúc tinh thể của Silic, Germani trong mạng không gian ba chiều là cấu trúc kim cương Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong không gian

Hình 4-5 Cấu trúc tinh thể của Si, Ge, cấu trúc kim cương

4.2.2 VLBD tinh khiết

Ở nhiệt độ T = 00K không có electron nào ở vùng hóa trị có đủ năng lượng bằng năng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD có thể dẫn điện Ở nhiệt độ này VLBD không có tính dẫn điện giống như điện môi lý tưởng

Khi T > 0 tồn tại một xác suất có một số electron do nhận được năng lượng nhiệt sẽ vượt qua vùng cấm để có mặt ở vùng dẫn, trở thành electron tự do Như vậy sẽ tạo thành một số lỗ trống ở vùng hóa trị, do các lỗ trống này mà electron ở vùng hóa trị

sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện Bản chất của sự chuyển động của các lỗ trống này

có thể hình dung như sự chuyển động của các điện tích dương với một giá trị khối lượng hiệu dụng nào đó Sự chuyển động của electron tự do trong miền dẫn dễ dàng hơn sự chuyển động của lỗ trống trong vùng hóa trị Nói cách khác, tính linh động của electron (μn) trong vùng dẫn lớn hơn tính linh động của lỗ trống (μp) trong vùng hóa trị (Đối với Germani μn = 0,38 m2/Vs, μp = 0,18 m2/Vs)

Điện dẫn suất của VLBD xác định như sau: σ = n μn + p μp (4-1) Trong đó:

n, p - Là mật độ electron và lỗ trống (cm-3) trong VLBD

VLBD tinh khiết là VLBD có thể bỏ qua ảnh hưởng của tạp chất trong nó Trong VLBD tinh khiết có bao nhiêu electron tự do thì có bấy nhiêu lỗ trống

Do vậy: n = p = ni

4.2.3 VLBD có tạp chất

Để tăng điện dẫn suất của Silic, Germani người ta cho vào nguyên tố khác có hóa trị III hoặc V Nguyên tố này gọi là tạp chất, coi như là chất kích thích với số lượng rất nhỏ Tùy theo loại điện tích nào (âm hay dương) mà VLBD có tạp chất được phân loại là loại n hay p

4.2.3.1 VLBD loại n

Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) một số lượng của nguyên tố có hóa trị V, ví

dụ Antimon (Sb) Nguyên tử Sb có 5 electron hóa trị, sẽ thay thế nguyên tử Silic, nó liên kết với 4 nguyên tử Silic gần nhất bằng cách trao 4 electron Còn 1 electron dư, gần như được tự do chuyển động xung quanh lõi mang điện tích dương của nguyên tử Silic với bán kính của quĩ đạo rất lớn

Đối với Germani chẳng hạn năng lượng electron dư này gần bằng 0 (-0,03 eV), còn bán kính quĩ đạo lớn gấp 27 lần bán kính quĩ đạo của electron hydro Do năng lượng liên kết quá nhỏ cho nên ngay ở nhiệt độ phòng electron dư này của tạp chất

được gần như tự do, có thể nhảy vào vùng dẫn góp phần vào việc tạo ra dòng điện nếu được kích thích bằng một năng lượng rất nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ) Rõ ràng, electron này không tạo ra lỗ trống Số hạt mang điện âm nhiều hơn do đó tạp chất gọi

là tạp chất cho hay tạp chất donor

Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc Như vậy tạp chất cho đã tạo ra mức năng lượng cho phép ở trong vùng cấm (ở nửa phía trên)

Hình 4-6 Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc

Ở nhiệt độ phòng mỗi nguyên tử tạp chất “cho” cho thêm 1 hạt mang điện, mặc

dù có nồng độ thấp nhưng làm tăng mật độ hạt mang điện, từ đó làm tăng điện dẫn suất với mức độ tăng lớn

n i e.N.d.n e.N.d.i (4-2)

Trong đó:

Nd - Mật độ tạp chất cho

Vì e.N.d.i

Ví dụ: So sánh điện dẫn suất của Germani tinh khiết với Germani loại n có tạp chất

cho là phốtpho, số nguyên tử tạp chất này chỉ bằng 1 phần triệu của số nguyên tử Germani

Giải:

Số nguyên tử Germani trong 1m3 là N = 1028 (m-3), số nguyên tử phốtpho chỉ bằng 1/106 số nguyên tử Germani tức là 1022 (m-3)

Ở nhiệt độ phòng: niGe = 1019 (m-3) nên điện dẫn suất :

) 18 , 0 38 , 0 ( 10 6 , 1 10

p n i

i n e  



)

1 ( 89 , 0

m

i  



Đối với Germani loại n:

)

1 ( 10 61 , 0 38 , 0 10 10 6 , 1

m Nd

n









Ta thấy điện dẫn suất tăng lên 1000 lần trong khi số nguyên tử tạp chất chỉ bằng

1 phần triệu số nguyên tử VLBD tinh khiết

4.2.3.2 VLBD loại p

VLBD tinh khiết nếu pha tạp chất nhóm III như B, Al, In… do chỉ có 3 liên kết hoàn chỉnh, 1 liên kết bỏ hở nên chỉ cần 1 kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) sẽ có 1 electron của các liên kết hoàn chỉnh bên cạnh thế vào Tạp chất bị ion hóa thành âm,

còn ở mối liên kết mà electron đi khỏi sẽ xuất hiện một điện tích dương tức một lỗ hổng Vậy tạp chất đã làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống được gọi là tạp chất nhận và bán dẫn gọi là bán dẫn loại p, nó tạo ra mức nhận Wa nằm sát bờ trên của vùng hóa trị

4.3 Tiếp giáp điện tử lỗ trống (tiếp giáp p-n)

Trong công nghệ chế tạo phần tử 1 mặt ghép p-n, người ta thực hiện pha trộn hai loại bán dẫn tạp chất lên trên một phiến đế tinh thể bán dẫn thuần với một bên là bán dẫn loại p và 1 bên là bán dẫn loại n Do lực hút lẫn nhau, các electron tự do bên phía bán dẫn loại n có xu hướng khuếch tán theo mọi hướng Một vài electron tự do khuếch tán vượt qua bề mặt ghép p-n Khi một electron tự do của bán dẫn loại n đi vào vùng của bán dẫn loại p, nó trở thành hạt thiểu số Do có một lượng lớn các lỗ trống nên các electron này sẽ nhanh chóng liên kết với lỗ trống để tinh thể trở về trạng thái cân bằng và đồng thời làm lỗ trống biến mất

Mỗi lần một electron khuếch tán vượt qua vùng tiếp giáp thì nó tạo ra một cặp các ion Khi một electron rời khỏi miền n thì nó để lại cho cấu trúc nguyên tử tạp chất một (thuộc nhóm 5 bảng tuần hoàn Mendeleep) sang trạng thái mới, trạng thái thiếu một electron Nguyên tử tạp chất lúc này lại trở thành 1 ion dương Nhưng đồng thời, khi đi sang miền p và kết hợp với một lỗ trống thì nó vô hình đã làm nguyên tử tạp chất (thuộc nhóm 3 bảng tuần hoàn Medeleep) trở thành ion âm

Quá trình này diễn ra liên tục và làm cho vùng tiếp xúc của chất bán dẫn lần lượt có ngày càng nhiều cặp ion dương và âm tương ứng ở miền n và miền p Các cặp ion này sau khi hình thành sẽ tạo nên một vùng tại miền tiếp xúc bán dẫn mà ta gọi là miền tiếp xúc, có điện trường ngược lại với chiều khuếch tán tự nhiên của các electron

tự do và các lỗ trống Quá trình khuếch tán sẽ dừng khi số lượng các cặp ion sinh ra đủ lớn để cản trở sự khuếch tán tự do của các electron từ n sang p

Như vậy, ký hiệu âm và dương tại miền tiếp xúc p-n chính là ký hiệu của các cặp ion sinh ra trong quá trình khuếch tán

Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp được tạo thành đơn giản bằng cách ghép nối hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n và p với nhau (cấu trúc dựa trên cùng một loại bán dẫn thuần Si hoặc Ge), như mô tả ở hình 4-7a

Trong thực tế, diode có thể được chế tạo bằng cách: Trước tiên, người ta lấy một mẫu bán dẫn tạp dạng n có nồng độ pha tạp ND và tiến hành biến đổi chọn lọc một phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung các tạp chất acceptor có nồng độ NA

> ND Vùng bán dẫn tạp dạng p được gọi là anode còn vùng n được gọi là cathode của diode và có ký hiệu mạch như ở hình 4-7c Tiếp giáp p-n là bộ phận cơ bản của tất cả các cấu kiện bán dẫn và các vi mạch điện tử (IC) Để đơn giản, với giả thiết không có các thế hiệu ngoài đặt vào mẫu tinh thể và gọi là tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng Mật độ hạt tải điện chỉ xét phụ thuộc vào phương x, có thể xem một diode tiếp giáp

p-n p-như hìp-nh 4-7

Ở vùng vật liệu bán dẫn tạp dạng -p có NA = 1017 (nguyên tử /cm3) và ND = 1016

(nguyên tử/cm3) ở vùng vật liệu dạng -n Như vậy, các nồng độ điện tử và lỗ trống ở hai phía của tiếp giáp sẽ là:

Vùng bán dẫn tạp -p có pp = 1017 (lỗ trống/cm3) và np 103 (điện tử/cm3)

Vùng bán dẫn tạp -n có pn 104 (lỗ trống/cm3) và nn = 1016 (điện tử/cm3)

Hình 4-7 (a)(b)Cấu tạo cơ bản của Diode tiếp giáp p-n (c): Ký hiệu của diode

Ở phía bán dẫn p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống rất lớn, ngược lại ở phía bán dẫn n có nồng độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều Cũng vậy, nồng độ điện tử rất lớn ở phía bán dẫn n và nồng độ điện tử rất nhỏ ở phía bán dẫn p Do có sự chênh lệch về nồng

độ ở hai phía của tiếp giáp nên sẽ có sự khuyếch tán xảy ra qua tiếp giáp pn Các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao ở phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp ở phía bán dẫn n, còn các điện tử sẽ khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p

4.3.1 Tiếp giáp p-n không có điện áp ngoài

Điều kiện cân bằng động của lớp tiếp xúc p-n Khi dòng điện do các hạt dẫn chuyển động khuếch tán và các hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc p-n có giá trị bằng nhau thì ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng động Do các dòng điện này ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau và dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc p-n bằng không Lúc này lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu là d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu là RP/N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu

là E0 (hay còn gọi là hàng rào thế năng) và tương ứng với nó có hiệu điện thế tiếp xúc

ký hiệu là V0 Các đại lượng này ta sẽ tính được qua các công thức dưới đây Do lớp tiếp xúc p-n là vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở của nó lớn hơn nhiều điện trở của hai vùng bán dẫn p và n (RP/N >>RN và RP)

Điều kiện cân bằng này giúp ta tính được độ cao của hàng rào thế năng V0 phụ thuộc vào nồng độ tạp chất cho và tạp chất nhận Giá trị của V0 khoảng từ vài phần mười vôn

Theo hình 4-8 ta thấy mức năng lượng Fecmi của cả hai phần bán dẫn p và n nằm trên một đường thẳng Mức năng lượng E0 - thế năng của điện tử hay hàng rào thế năng của điện tử ở tiếp xúc p-n khi nó ở trạng thái cân bằng là:

E0 = ECP – ECn = EVp - EVn

Hình 4-8 Đồ thị vùng năng lượng của tiếp xúc p-n khi hở mạch (trạng thái cân bằng)

Trong đó:

E0 - Đo bằng [eV], và V0 đo bằng [V]

Ngoài ra, hiệu điện thế tiếp xúc E còn được tính theo công thức sau:

E0 = KTlnPP0/Pn0 = KTln(nn0/nP0) (4-4) Trong đó:

K - Là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ T

Chỉ số 0 trong công thức trên để biểu thị rằng các nồng độ hạt dẫn này được tính ở điều kiện cân bằng nhiệt động

4.3.2 Tiếp giáp p-n phân cực thuận

Tiếp xúc p-n được phân cực thuận khi ta đặt một nguồn điện áp bên ngoài lên lớp tiếp xúc p-n có chiều cực dương được nối vào bán dẫn loại p và cực âm nối vào bán dẫn n

Hình 4-9 Tiếp xúc p-n phân cực thuận và đồ thị dải năng lượng của nó

Điện trường trong lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào thế năng giảm xuống một lượng bằng điện trường ngoài:

Do đó phần lớn các hạt dẫn đa số dễ dàng khuếch tán qua tiếp xúc p-n, kết quả

là dòng điện qua tiếp xúc p-n tăng lên Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc p-n khi

nó phân cực thuận gọi là dòng điện thuận Ith

Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc p-n được phân cực thuận càng mạnh, hiệu điện thế tiếp xúc càng giảm, hàng rào thế năng càng thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày của lớp tiếp xúc cũng giảm, các hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n càng nhiều nên dòng điện thuận càng tăng và nó tăng theo qui luật hàm số

mũ với điện áp ngoài

Khi điện áp thuận có giá trị xấp xỉ với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n thực

sẽ được khống chế bởi điện trở thuận của tiếp xúc kim loại và điện trở khối tinh thể

Do vậy đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống một đường thẳng

4.3.3 Tiếp giáp P-N phân cực ngược

Lớp tiếp xúc p-n được phân cực ngược khi ta đặt một nguồn điện áp ngoài sao cho cực dương của nó nối với phần bán dẫn n, còn cực âm nối với phần bán dẫn p Khi

đó điện áp ngoài sẽ tạo ra một điện trường cùng chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường trong lớp tiếp xúc tăng lên:

Tức là hàng rào thế năng càng cao hơn Các hạt dẫn đa số khó khuếch tán qua vùng điện tích không gian, làm cho dòng điện khuếch tán qua tiếp xúc p-n giảm xuống

so với trạng thái cân bằng

Đồng thời, do điện trường của lớp tiếp xúc tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số và tạo nên dòng điện trôi có chiều từ bán dẫn

N sang bán dẫn P và được gọi là dòng điện ngược Ingược

Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện thế tiếp xúc càng tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên Nhưng do nồng độ các hạt dẫn thiểu số có rất ít nên dòng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa và được gọi là dòng điện ngược bão hòa I0

có giá trị rất nhỏ khoảng từ vài nA đến vài chục µA

Hình 4-10 Tiếp xúc p-n phân cực ngược và đồ thị dải năng lượng của nó

4.3.4 Dòng điện qua tiếp xúc p-n

4.3.4.1 Dòng điện thuận

Khi tiếp xúc p-n phân cực thuận, qua nó có dòng điện thuận Đó là dòng điện do các hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n Ta có: