Linh kiện bán dẫn và vi mạch

Chúng được coi là linh động trong vật liệu và được gọi là các điện tử dẫn, phần còn lại của nguyên tử, tích điện đương, được xem như một điện tích cố định.. tính chất điện của vật liệu

TS HỒ VĂN SUNG

BÁN DẪN VÀ VI MẠCH

Tái bản lân thứ 7 có sửa chữa và bổ sung

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM.

LỜI GIỚI THIỆU

Cuốn sách Linh kiện bán dẫn và vì mạch là giáo trình đã được giảng dạy nhiều

năm ở Khoa Công nghệ Đại học quốc gia Hà Nội và ở nhiều trường Đại học, Cao đẳng

kỹ thuật trong cả nước Giáo trình này cũng được tác giả sử dụng làm bài giảng cho sinh viên các chuyên ngành điện tử, tin học và viễn thông trong thời gian làm chuyên gia ở Algerie Hang ndm, do su phat triển mạnh của công nghệ vi điện tử, giáo trình cũng được

bổ sung những linh kiện mới, đặc biệt những linh kiện có tốc độ hoạt động siêu cao dựa trên hiệu ứng Josephson, chuyển tiếp đị tỉnh thể (Heterojunction) hodc nhitng vi mạch

số CMOS và những linh kiện vì quang điện tử Vì thế, lần xuất bản thứ 7 này, sách được

bổ sung thêm chương l và cập nhật nhiều chuyên mục mới khác

Toàn bộ nội dung cuốn sách được chia làm hai phần: Phần thứ nhất có 8 chương, nghiên cứu các linh kiện rời rạc Trong đó, chương 1 trình bày các linh kiện thụ động và các đại lượng điện cơ sở Chương 2 mô tả các tính chất cơ bản của vật liệu bán dẫn

Chương 3 giải thích nguyên tắc hoạt động của tất cả các loại điôt từ loại chỉnh lưu P — N đến các loại điôt đặc biệt như điệt Gunn va diét PIN, tit loại tân thấp đến loại có tần số cắt cực cao Chương 4 nghiên cứu chuyển tiếp đị thể và siêu mạng; đó là chuyển tiếp cơ bản để chế tạo nên nhiều linh kiện mới có tốc độ hoạt động cực lớn như khí điện tử 2D

Chương 4 đề cập tranzito lưỡng cực còn chương 5 là các linh kiện chỉnh lưu có điều

khiển hay còn gọi là linh kiện thuộc họ thyristor Chương 7 là các loại tranzito trường:

Cả JEFT lẫn MOS Do tính quan trọng của các loại tranzito trường, nên trong chương này vừa mô tả định tính lẫn định lượng Chương 8 trình bày các loại linh kiện quang — điện tử: các linh kiện £hu quang, phát quang, pin mặt trời, lazer da mot va don mối Phần 2 c6 5 chuong nghién cứu các loại vi mạch: từ lưỡng cực tới Bi - CMOS Trong

đó chương 9 trình bày sự phát tr iển của công nghệ vỉ điện tử, cả công nghệ kinh điển lẫn

các công nghệ tiên tiến nhất Chương 10 là các loại vỉ mạch lưỡng cực Chương l1] trình bày công nghệ chế tạo các loại vỉ mạch MOS và Bỉ — CMOS; các linh kiện này là linh hôn của các bộ nhớ RAM tinh (SRAM) va động (DRAM) hay như các bộ nhớ "chét"

ROM và các bộ nhớ lập trình EPROM và EEPROM Chương 12 mô tả các tính chất của

ác vi mạch tuyến tính; ở đây là các bộ khuếch đại thuật toán

Trong mỗt chương, tác giả cố gắng mô tả hoạt động; đặc biệt nội dung vật lý của -

từng linh kiện để người đọc có thể hiểu nguyên tắc hoạt động của từng linh kiện một cách sâu sắc chứ không mang tính thụ động Mỗi linh kiện đều được mô tả nguyên tắc hoạt động, cấu tạo; nhưng đồng thời cũng cho biết địa chỉ ứng dụng trong các mạch diện tử cụ

3

thể Trong sách cũng mô tả rất nhiều công nghệ và có- sự so sánh các công nghệ khác

nhau để thấy được những ưu việt của mỗi công nghệ Trong sự so sánh này đều được mô

tả dưới dạng đồ thị để người đọc dễ cảm nhận

Trong nhiều năm qua, cuốn sách này đã trở thành giáo trình chính thức của khâu hết

các trường Đại học, Cao đẳng của các ngành điện, điện tử tin hoc va viễn thông trong

cả nước Lân xuất bản này, với những bổ sung và sửa chữa nói trên chắc chắn sẽ được sử

dụng nhiêu hơn và hữu ích hơn không những cho sinh viên, học viên cao học mà còn cho

cả các kỹ thuật viên và kỹ sư thực hành trên lĩnh vực điện tử ứng dụng đầy hứa hạn này

Mặc dù có rất nhiều cố gắng, song do thời gian hạn chế, nên có thể còn có những

khiếm khuyết Chúng tôi xin chân thành cảm ơn và rất mong được quý độc giả nhận xét,

góp ý để lân xuất bản sau cuốn sách được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về

Công ty cổ phần sách Đại hoc — Dạy nghề 25 Hàn Thuyên Hà Nội

TÁC GIÁ

PHẦN I CÁC LOẠI LINH KIỆN RỜI

Chương 1

CÁC LINH KIỆN THỤ ĐỘNG

VÀ NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ SỞ

- Chương này sẽ trình bày các linh kiện thụ động: điện trở, tụ điện, cảm kháng và các

đại lượng điện cơ sở Để hiểu hoạt động và chức năng của các linh kiện điện tử, nhất thiết phải sử dụng các khái niệm điện cơ sở Các đại lượng đó là: Điện tích, dòng điện, hiệu điện thế hoặc thế và công suất tiêu thụ Các đại lượng vật lý này được đưa vào một

cách rất chặt chế trong nhiêu giáo trình" Điện hoặc Điện từ " Vì vậy, ở đây chỉ nhắc lại

- các định nghĩa cơ sở và đưa các định nghĩa này áp dụng vào giải thích tính chất điện tử của các linh kiện cụ thể Trong đó, thế và dòng đóng vai trò trung tâm và có thể được

xem nhút các đại lượng cơ sở của điện tử học Tất cả các hệ thống điện tử, từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất, đều có thể được biểu diễn xuất phát từ các điện trở, tụ điện, cuộn cảm và từ các nguồn thế hoặc nguồn đòng Vì thế, việc mô tả các linh kiện cơ sở dĩ nhiên

là điều kiện bắt buộc tiên quyết Các chức năng suy ra từ các tính chất của các linh kiện

này, có nghĩa là mối liên hệ giữa dòng và thế, sẽ được đưa ra một cách chính xác và tỷ

mỉ Bởi vì đây là mục tiêu để chế tạo nên các linh kiện điện tử

1.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ SỞ

1.1.1 Điện tích

Đại lượng cơ sở là điện tích điện Nó cấu thành vật chất Các loại vật liệu, vật dẫn

điện, vật cách điện, đều được tạo thành từ các nguyên tử và các tính chất điện của chúng phụ thuộc vào sự có mặt của các điện tử liên kết yếu với các hạt nhân nguyên tử Mỗi

điện tử mang điện tích điện cơ sở bằng 1,6.10'°C Cu-lông là đơn vị điện tích đã được

chuẩn hóa Vì thế nó tương đương với điện tích khoảng 6.10 ” điện tử Hạt nhân của nguyên

Các điện tử ở lớp ngòai cùng, liên kết yếu với hạt nhân quyết định tính chất dẫn điện

- của vật chất Chúng được coi là linh động trong vật liệu và được gọi là các điện tử dẫn, phần còn lại của nguyên tử, tích điện đương, được xem như một điện tích cố định Hình -1.1 biểu thị trường hợp một vật liệu chứa hai điện tử dẫn trong một nguyên tử Bản chất

tự nhiên dẫn điện hoặc cách điện của vật liệu liên quan với sự tồn tại của các điện tir dan Trong trường hợp các chất cách điện, tất cả điện tử liên kết mạnh với hạt nhân nên điện '

tử dẫn không tồn tại Sự dẫn điện gắn liên với sự có mặt của một số lượng nhiều hay ít

5

các hạt tải điện liên kết yếu với các nguyên tử của vật liệu, chúng là điện tử hoặc lỗ

trống Các điện tử liên kết yếu với các nguyên tử vật liệu được gọi là điện tử dẫn Nhắc

lại, lỗ trống là cách thức đơn giản để trình bày một hiện tượng phức tạp của sự dẫn điện

trong bán dẫn Điện tích của nó dương, ngược với dấu của điện tích điện tử Vì vậy, các

vật liệu bán dẫn được biểu diễn trên hình 1.2 bằng một tập hợp các nguyên tử Một số

chứa một hay nhiều điện tử dẫn Một số khác chứa một hay nhiều lỗ trống liên kết yếu

Nguyên tử liên quan, cố định trong vật liệu, vì thế chúng có điện tích dương hay âm tuỳ

theo hạt tải điện tự do là điện tử hay lỗ trống Trong các chất dẫn điện, mỗi nguyên tử có

ít nhất một điện tử dẫn Trong chất bán dẫn (Si-lic, Ger-ma-ni hoặc Ác -se-nic ga-li) chi

một số nguyên tử có chứa điện tử hoặc lỗ trống liên kết yếu

Điện tử dẫn Nguyên tử cố định

Hình 1.1 Vat liệu dẫn điện

Khi có một điện tích tác động lại gần một vật liệu, các hạt tải điện tự do sẽ bị hút

hoặc bị đầy Điện tử bị hút bởi một điện tích dương và bị đẩy bởi một điện tích âm; các lỗ

trống bị đẩy bởi một điện tích dương và bị hút bởi một điện tích âm Khi đó, các hạt tải tự

do chuyển dịch trong trong vật liệu và như vậy làm xuất hiện một dòng điện Khi đó ta

nói rằng vật liệu bị tác dụng của một điện trường Đó là trường hợp khi ta tác dụng một

hiệu điện thế nhờ một máy phát điện Trong các chất cách điện, các hạt tải điện tự do có

số lượng không đáng kể và có thể loại bỏ, do vậy không bị ảnh hưởng dưới tác động của

điện trường Trong các vật liệu bán dẫn, tính dẫn điện nằm trong vị trí trung gian bởi v vì

chỉ một phần nhỏ nguyên tử có chứa các hạt tải điện tự do

Kim loại Chất cách điện Chất bán dẫn điện

1O Nguyên tử trung hòa điện cố định

Với [oO Nguyên tỉ tử bị ion hóa tích điện dương cố định và một điện tử dẫn linh động

CQ Nguyên tử bị ion hóa tích điện âm cố định và một lỗ trống linh động

Hình 1.2 Các loại vật liệu và các tính chất điện của chúng

1.2 DÒNG ĐIỆN

Nếu ta đặt một điện tích dương gần các điện tử dẫn, các điện tử này sẽ chịu một lực

hút mạnh gọi là lực Cu-lông Chúng dịch chuyển tập thể và tạo thành dòng điện Ta

cũng nói rằng chúng chịu tác dụng của một điện trường Không nên nghĩ rằng các điện

tử dẫn đứng yên khi không có một điện trường nào tác dụng Thực ra chúng tham gia các

chuyển động nhiệt hỗn loạn với vận tốc rất lớn Vì các chuyển động này là ngẫu nhiên,

nên kết quả tổng thể bằng không; có nghĩa là chuyển động nhiệt không sinh ra dòng điện

Dòng điện được định nghĩa như một số các điện tử chuyển dời qua một mặt đã cho

trong một đơn vị thời gian Nó là số đo lượng điện tích tương ứng và được biểu thị bằng

Am-pe Hình 1.3 biểu diễn dòng điện i() tương ứng với N() điện tử chuyển qua mặt S

Không gian được chia thành hai miền và để mô tả sự chuyển dời của điện tử từ vùng 1

sang vùng 2 thì chỉ cần chọn một hướng dương là đủ, hướng này thuần túy là quy ước

Hướng này được biểu thị bằng mũi tên tương ứng với sự chuyển dời của điện tử từ 2 sang l

I(t) = qN(t)

Điện tử tinh động

.Ø” với Nứ): số lượng điện tử

trên một đơn vị thời gian

chuyển từ (2) sang (1)

Miền (2)

-~

he S5

ẢN Miền (1) °

MặtS - Chiều quy định

Hình 1.3 Dong điện qua một mặt S

Hình 1.4 minh họa trường hợp cụ

thể nhất một dây điện thiết diện S Dòng

điện đo được qua thiết diện này vuông

gÓC VỚI trục của dây Khi cường độ dòng

điện có giá trị không đổi đối với thời

gian, ta nói đó là dòng điện không đổi

Trường hợp: ngược lại, ta nói dòng điện

_ biến đổi Do sự lạm dụng của ngôn ngữ,

cường độ dòng điện và dòng điện Chiều của

_ thường bị lẫn lộn Trường hợp của các dòng điện ——””” I

chất dẫn điện và các chất cách điện thì

đơn giản Rủi thay, chúng không phải là

, những vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp điện tử, vì 'thế mới biết đến các

chất bán dẫn Các vật liệu nay (silic, Ger-ma-ni-um và Ar-se-nic Ga-li-um) không phải là chất dẫn: điện cũng không phải là chất cách điện trong khuôn khổ SỐ lượng các điện tử liên

Thiết diện ngang

_- Hinh 1.ä Dòng điện chạy qua một dây dẫn

s

kết yếu có đủ để đảm bảo một số tính chất dẫn điện Ta nên tránh ý nghĩ cho rằng có một -

hoặc nhiều điện tử trên một nguyên tử như đối với các vật din điện Phải có một số lượng lớn

các nguyên tử của chất bán dẫn mới tìm thấy được một điện tử dẫn

nguyên tử cũng tham gia vào sự dẫn điện Thế dương _ Điện tử bị hút

Các điện tử đó được gọi là các điện tử hóa C) om C

tri Lý thuyết của các vật liệu bán dẫn cho

trị này giống với ảnh hưởng của các giả —

hạt giống như điện tử, với gần đúng về dấu

của các điện tích của chúng Các hạt này

được gọi là lỗ trống Điện tích của chúng |

bằng điện tích của điện tử, ngược lại dấu: Hình 1.5 Ảnh hưởng của điện trường

của điện tích này lại là dương Do đó các | lén cac hat tai dién

tính chất điện của vật liệu bán dẫn được giải

thích bằng cách coi dòng điện được tạo thành bởi hai loại hạt tải: Điện tử và lỗ trống Dưới

_ tác dụng của một điện trường, các điện tir va lỗ trống dịch chuyển theo các hướng ngược

nhau như chỉ ra trên hình 1.5

Điện tích dương Lỗ trồng bị đẩy

Vùng điện tích không gian

1.3 ĐIỆN THẾ HOẶC THẾ

Đại lượng quan trọng thứ hai mà chúng ta sẽ đưa vào là điện thế hay còn được gọi là

thế Đại lượng này được sử dụng thường xuyên trong cuộc sống hàng ngày và chúng ta nói

cái pin 4,5V hoặc lưới điện lực 220V không cần đắn đo gì đặc biệt Thế nhưng, nếu ta suy

- nghĩ kỹ về ý nghĩa thực tế của thế, thì để giải thích đại lượng này không phải là điều quá

Được xác định tại mọi điểm của không gian, thế V(x,y,z) thực chất là công phải thực

hiện để đưa một đơn vị điện tích từ vô củng đến điểm của không gian đang xét Dinh nghĩa

này rất trìu tượng có thể được minh họa bởi ví dụ của dây dẫn biểu thị trên hình 1.3 Hai ˆ

điểm A và B tương ứng với hai thiết dién Sa va Sb của dây Hiệu điện thế Vụ — Vạ là công

phải cung cấp để đưa một đơn vị điện tích từ À đến B Để đưa một điện tử có điện tích q,

cần phải thực hiện công là q,CÝ„ — V,)- Định nghĩa này phù hợp với định nghĩa ở trên vì để

đưa một điện tích từ A đến B, có thể dẫn từ A ra vô cùng sau đó từ vô cùng đến B Vì lý do

này, chúng ta giả thiết rằng công thực hiện không phụ thuộc vào đường đi Giá thuyết quan

trọng này là hoàn toàn có thực dưới mộtsố các điều kiện xác định mà chúng tôi không cho

ở đây, nhưng độc giả có thể tìm thấy trong các sách điện từ cho ở phần tài liệu tham khảo

Chúng tôi đưa ra giả thuyết này đã được kiểm nghiệm tất cả các trường hợp trích ra trong

công trình đó Lưu ý rằng nếu công phụ thuộc đường đi thì sẽ không thể thực hiện tại một

điểm trong không gian một giá trị và chỉ của một thế Bạn đọc tự suy nghĩ ghi chú này như

Vì thế khái niệm thế quả không đơn giản tí nào Để có một biểu diễn cụ thể hơn,

“chúng tôi để nghị một minh họa như cái cách mà người ta vận hành thế khi tính toán các

dây dẫn hoàn hảo Thuật ngữ hoàn hảo muốn nói rằng không có bất kỳ sự sụt thế nào trong các dây dẫn đó Do đó thế ở trong các dây dẫn đó là hằng số Vì thế mỗi dây dẫn gắn liền

với một thế Như vậy người ta định nghĩa V„ụ, Vụ, Vẹ, Vụ,

Khi đó có thể viết:

Va-Va=Ve—Vet Ve-Vp + Vo- Va

hoặc còn, khi ký hiệu Vạ„„ hiệu điện thế V,— Va:

Vea = Vac + Von + Voa

Hệ thức này, tầm thường về mặt toán học nhưng lại đưa ra một đẳng thức của tổng các hiệu điện thế cho hai đường phân biệt, trong trường hợp I và 2 (như hình 1.6)

a Linh kién 1

Day dan hoan hao

Đại lượng cuối cùng mà chúng ta đưa vào là công suất điện Chúng ta đã đưa vào khái

niệm công khi định nghĩa vẻ thế Bây giờ nếu chúng ta xét công phải cung cấp để dịch, chuyển N điện tích cơ bản từ A đến B, nó được viết:

- Wag= Nqo(V, — Vo)

- Vì thế, công suất là công trên một đơn vị thời gian, nếu tính đến thực tế là khi chuyển đời trên một đơn vị thời sian thì không phải gì khác mà chính là dòng điện I thi được viết:

=1(V,- Vs)

- Đó là công suất tỏa ra bởi dòng ‹ điện I khi chuyển dời từ A đến B Công suất được biểu thị bằng Oát và ký hiệu bằng W Khi thiết lập hệ thức này, chúng ta đã không để ý đến - dấu Tuy nhiên, điều rõ ràng là phải cung cấp công suất để chuyển dời một điện tích dương

từ thế thấp đến thế cao và ngược lại, công suất sẽ tỏa ra khi điện tích dương chuyển dời từ thế cao xuống thế thấp Đối với các điện tích âm, chúng ta thu được các kết luận ngược lại Trong thực tế, các linh kiện chỉ có thể tiêu tán một công suất hạn chế và công suất tiêu tán

hiệu dụng phải nhỏ hơn giới hạn này Trong trường hợp tổng quát, dòng và thế là các hàm

số của thời gian, công suất tiêu tán là một đại lượng thay đổi theo thời gian Trong thực tế, Nguoi ta tính công suất trung bình trong một khoảng thời gian đã cho Giá trị trung bình này được gol là công suất we dung 'Về mat toán học, người ta viết:

P„—=— “| P(t)dt

Khí thế tác động vào hai đầu của một điện trở R, công suất tiêu tán được biểu thị bằng:

P=IV=

Khi đó giá trị hiệu dụng của công suất là:

2

1.5 CAC LINH KIỆN CƠ SỞ VÀ CÁC CHỨC NĂNG CỦA CHÚNG

Sau khi nhac lai các đại lượng điện cơ Sở, bây giờ có thể chuyển sang xem xét năm

linh kiện cơ sở của điện tử học: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm, nguồn thế và nguồn dòng Một

số bảng biểu cho ta ý tưởng về các linh kiện đã được sử dụng một cách có hiệu quả trong

các kiến trúc điện tử

4.5.1 Điện trở -

Nếu dây dẫn đủ dài hoặc nếu vật liệu sử dụng

không phải là một vật dẫn điện quá tốt, thì một

hiệu điện thế có thể xuất hiện khi dòng điện chạy

trong dây dẫn

Xét một đoạn dây dẫn hình trụ dài £, thiết

diện S, như trên hình 1.7

Dòng điện I là lượng điện tích chuyển qua :

một thiết diện ngang của dây dẫn trong một đơn Hình 47 Dòng điện I trong một đoạn -

Trong đó: q: Lượng điện tích

: Vụ: Điện thế tại điểm A VN Vz: Dién thé tai diém B (V, > Va):

-R: Điện trở của đoạn dây dẫn dai £, thiết diện S và điện trở suất p:

R=pC

Đại lượng: Ị= a được gọi là mật độ dòng điện:

Trong kim loại, mật độ dong dién J=ne.v

Trong đó on là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích

_e= l6 107%C là điện tích của điện tử

` là vận tốc trung bình của điện tử tự do -

Vận tốc trung bình của điện tử tỷ lệ với cường độ điện trường trong day dẫn Vận tốc

_ trung bình của điện tử ty lệ với cường độ điện trường trong ‘day dan:

Như vậy, để tạo ra dòng điện trong dây dẫn cần làm cho điện tử chuyển động có

hướng; nghĩa là v# 0O và phải tạo ra được sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu dây dẫn; nghĩa là Uy, = Vạ — Vụ + 0

Như vậy, quan hệ giữa hiệu điện thế với dòng điện chạy trong một vật liệu dẫn điện, một cách gần đúng là quan hệ tuyến tính: Định luật Ôm:

V(t) — Va(t) = R.I()

Hay, đơn giản hơn, ta có thể viết:

V„—Vg=R1

Trong thực tế, các vật dẫn điện có điện trở nhỏ hơn 1© và các điện trở dùng trong điện

tử thường có gam chạy từ 1 O đến vài trăm MO Bảng 1 sau đây nhắc lại một số các ký hiệu đơn vị đã được sử dụng và các bội SỐ của chúng

Bảng 1.1 Các bội số của đơn vị điện tử {† - femto

micro milli

kilo

Định luật Ôm không đặt ra những khó

khăn gì đặc biệt với sự chấp nhận chọn lựa

dấu đối với thế và dòng :

Khi các mạch điện phức tạp và chứa

một số lớn linh kiện Nếu không chú ý về

dấu đối với thế và dòng thì nói chung dẫn

-đến các sai số; nên chúng tôi khuyên độc

giả nên tránh

Dấu này chỉ ra chiều dong điện chạy và

hướng của hiệu điện thế Như vậy, 'chúng ta

xác định một hướng quy ước Khi đó các pT \t E———— —

đại lượng được tính toán là các đại lượng `

đại số và đấu của chúng được chỉ ra nếu đại

lượng điện nằm trong cùng một hướng nhữ

10-5 10-12

10%

108 -_ 403

hướng quy ước đã chọn Trường hợp của Hình 1.8 Điện trở và những quy ước về dấu

điện trở được mình họa trên hình 1:8 và cần

- phải làm rõ một vài điều

" "

Chẳng hạn khi chọn hướng dương của thế như đã chỉ trong hình 1.8 Chiểu mũi tên cho

thấy hiệu điện thế V là V„ — Vạ chứ không phải Vạ —- Vụ Cách lựa chọn này không liên quan gì tới các giá trị của Vụ và Vạ; V, 'có thể lớn hơn Vạ hoặc ngược lại Thêm nữa, Vụ và:

Vẹ là dương hoặc âm Nếu sau khi kết thúc tính toán, chúng ta thấy V dương, điều đó muốn

nói một cách đơn giản rằng thé V, lớn hon V, Nếu thế V là âm, điều đó muốn nói rằng V„ nhỏ hơn V,

Bây giờ chọn hướng của dòng I Thực ra, chúng ta không có sự lựa chọn nào nữa ngoài quy ước hướng dương được lựa chọn cho dòng phải ngược với hướng đã chọn đối với

thế Từ quy ước này suy ra dấu khi viết các phương trình đại số của các linh kiện Sự lựa chọn này tương ứng với chiều của mũi tên gắn liền với chiều của dòng điện I Nếu, sau khi tính toán, chúng ta thu được giá trị dương của I, điều đó muốn nói rằng các điện tử chuyển dời theo hướng ngược với chiều của mũi tên Sự lựa chọn này có thể gây ngạc nhiên Từ đầu đã giả thuyết rằng sự dẫn điện là kết quả của sự chuyển dời của các điện tích dương Các phát minh khoa học đã phủ định giả thuyết này nhưng sự quy ước về dấu vẫn giữ

nguyên Nhờ các quy ước này, định luật Ôm được viết một cách đại số: V = RI

Chữ số đầu tiên | Chữ số thứ hai Chữ số thứ ba Sai số

tiếp trên mạch ¡n Công nghệ lắp ráp trên bề mặt này hiện nay thường được sử dụng và cho phép sự tích hợp rất mạnh Trong trường hợp này, giá trị của điện trở được ghi ngay trên |

linh kiện Các họ chính của điện trở được chỉ ra ở bảng 1.2 Bảng này cũng chỉ ra các giá trị đề nghị và nơi sử dụng thường xuyên của linh kiện Một số thuật ngữ có thể còn mới mẻ đối với độc giả và sẽ được chính xác hóa sau này

120

Vòng Từ 10 đến 100MO Phân cực tranzito và các ˆ

kim loại Công suất < 2W , mạch giá thành hạ

tích điện khi nối với nguồn thế Các điện tích được tạo ra là điện tích của các nguyên tử bị

mất điện tử dẫn của chúng đối với điện cực nối với bản dương và của các nguyên tử có thừa điện tử đối với điện cực nối với bản âm Điện tích +Q được tạo ra trên bản tụ nối với cực

dương và điện tích —Q được tạo ra trên bản tụ nối với cực âm Nếu chúng ta áp dung cing quy ước về dấu như đối với điện trở, thì thế định hướng ngược với dòng Vậy hệ thức cơ

bản của tụ điện có thể viết:

Q() = C[V,() — V a(t)]

Hàng số C đặc trưng cho tính chất hình học của linh kiện Đó là điện dung của tụ điện

Nó được biểu diễn bằng Fara, ky hiéu bằng E Vì vậy Fara là điện dung cần thiết để tích trữ một lượng điện tích một Cu-lông dưới hiệu điện thế l vôn Vì Cu-lông là điện tích của một

số rất lớn các điện tử, nên Fara có giá trị rất cao Các linh kiện điện tử hiện tại được đo bằng ước số của: Fara: microfara hoac picofara Trong vi dụ đã cho, điện dung c của tụ điện

cho bởi công thức sau đây:

c=eŠ

d

13.

Điện tích dương +Q Điện tích âm -Q

Ban cuc

có diện tích S

Hình 1 10 Tụ điện

Trong hệ thức này, S là diện tích bề mặt của bản tụ và đ là khoảng phân cách giữa hai

bản tụ Hằng số e đặc trưng cho môi trường phân cách giữa hại bản cực Nó được gọi là hằng

số điện môi Giá trị của nó đối với chân không hoặc không khí khô là 8,8.10'2 C2/N.m? Đối

với các môi trường điện môi khác, nó có thể cao hơn nhiều Biểu thức của thế ở hai đầu của

một tụ điện được biểu diễn dưới dạng được áp dụng nhiều nhất trong tính toán các mạch

bằng đạo hàm bậc nhất đối với thời gian Vì dòng điện là đạo hàm của điện tích, theo định

nghĩa của chúng dòng điện omy từ các bản tụ, nên ta thu được:

I(t) = CÁ, _V;)

hoặc để đơn giản ký hiệu:

I= ca

dt Quy ước về dấu, nhắc lại trước đây, áp dụng cho hệ thức này là như trong định luật

Ôm Hình 1.11 cho các giá trị của V và Q với hai sự lựa chọn khả dĩ về chiều của thế Phải

lưu ý rằng cone dién chon quy chiéu để luôn luôn chạy từ điện tích quy chiếu dương

Trong thực tế, tụ điện dùng để tích trữ điện tích và để ngăn dòng một chiều Chức năng lưu trữ này suy ra từ phương trình cơ bản của tụ điện Giả sử giá trị ban đầu bằng không,

hiệu thế ở hai đầu là:

| Tantan v3 1000pF tới 10uF Lọc và kết nối các mạch

Lọc và kết nối các mạch tần

1000pF tới 10uF SỐ cao và các mạch bề mặt

: : # r Lá a ®

Đây là loại linh kiện thứ ba mà L |

dưới dạng một cái lò so như chỉ ra HC

trên hình 1.12, khi đó có thể chứng - - ¬

V=VA-VB minh theo các định luật điện từ rằng :

định luật Ôm không còn áp dụng Hình 1.12 Cảm kháng

được nữa Thế ở hai đầu không còn

tỷ lệ với dòng điện đi qua linh kiện mà là đạo hàm của dòng này đối với thời gian Hằng số tỷ

lệ là cảm kháng Nó được đo bằng Henry, ký hiệu H Hệ thức đại số được viết với cùng một quy ước về dấu như đối với một điện trở đơn thuần:

dit)

V(t) ~ Vat) = LO So ,

Trong thực tế, các giá trị nhỏ hơn mH thu được đối với các linh kiện cổ điển Để đơn

vert

\, VÀ

Vì thế, cảm kháng chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua Đối với thế đã cho,

giá trị cao của L có tác dụng làm giảm giá trị của đạo hàm của dòng điện

Cuộn cảm có điện trở nhỏ đối với dòng điện một chiều Đó là phần điện trở ôm — míc của dây dẫn Ngược lại nó có điện trở rất lớn đối với dòng điện biến đổi nhanh Cũng giống

như tụ điện ngăn cản dòng điện một chiều, cuộn cảm ngăn cản đòng điện biến đổi Bảng

1.4 mô tả các cuộn cảm khác nhau thường gặp trong điện tử học và các lĩnh vực ứng dụng `

của chúng

Để kết thúc chương nhập dé quan trong này với các tính toán mạch, các kết quả thu

được có thể tốm tắt trong bang 1.5

Bảng 1.5 Bang tổng hợp các linh kiện cơ sở

Chương 2

- MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN

Chương 1| đã trình bày các tính chất dẫn điện của vật chất đối với ba họ: vật dẫn điện,

vật cách điện và chất bán dẫn

Tại sao cơng nghiệp điện tử lại chỉ sử dụng các vật liệu đặc biệt như bán dẫn? Đĩ

chính là nĩi về việc sản xuất các linh kiện điều khiển một địng điện xuất phát từ một thế

Thực vậy, các linh kiện này cho phép khuếch đại các tín hiệu yếu để thu được dịng điện cĩ

giá trị cao Chúng cũng cho phép thực hiện các bộ chuyển mạch điện tử, khi dịng điều

khiển chuyển từ một giá trị bằng khơng tới một giá trị khác, khác khơng Vật liệu cách

điện khơng cho phép thực hiện mục tiêu này; bởi vì dịng điện khơng thể lưu thơng trong

vật liệu cách điện Nếu chọn một vật dẫn điện thì cũng dẫn đến bế tắc; bởi vì điện trường

khơng thể xuyên vào trong lịng vật dẫn điện như kim loại Tính chất quan trọng này được

suy ra từ các định luật điện từ Với các lý do đĩ, nên khơng thể điều khiển dịng điện bằng

điện trường nếu sử dụng các vật dẫn điện Vì thế, chỉ cịn vật liệu bán dẫn là vật liệu duy

nhất được sử dụng để chế tạo các linh kiện điện tử

Đề chế tạo các linh kiện đĩ, ta cần phải điều khiển độ dẫn điện của bán dẫn Nếu sử

dụng vật liệu bán dẫn tinh khiết, thì số lượng các hạt tải điện tự do chỉ phụ thuộc nhiệt độ,

ta nĩi rằng vật liệu bán dẫn là tỉnh khiết; hay cịn gọi là bán dẫn rịng Chẳng hạn, một

khối hình vuơng silíc cạnh lcm, giữa hai mặt đối diện cĩ điện trở 10.000 ở nhiệt độ

phịng Đối với silíc thường dùng, điện trở khoảng 102 Để cĩ được giá trị đĩ, người ta

phải đưa tạp chất vào tỉnh thể bán dẫn tính khiết Động thái này được gọi là sự pha tạp

Khi muốn tăng số lượng lỗ trống tự do, ta phải đưa Bo vào và khi muốn tăng số lượng

điện tử dẫn, phải đưa vào Phơt-pho Các điện tử và lỗ trống do chính si-líc tạo ra trở nên

rất nhỏ bé so với số lượng điện tử và lỗ trống do tạp chất đưa vào Trong gần đúng bậc

nhất, số các lỗ trống tự do bằng số lượng nguyên tử Bo đã được đưa vào và số lượng điện tử

tự do bằng số lượng các nguyên tử Phốt-pho đã được đưa vào Trong trường hợp đầu, bán

dẫn là loại p, cịn trường hợp thứ hai, bán dẫn là loại N Hình 2.1 biểu diễn vật liệu bán

tỉnh khiết và pha tạp Phải luơn luơn nhớ rằng mỗi điện tử tự do hoặc mỗi lơ trống tự do

tương ứng với một nguyên tử cố định nhưng tích điện dương hoặc âm Các nguyên tử tích

điện hay các i-ơn cĩ vai trị quan trọng trong các linh kiện bán dân

Để đơn giản, ta chỉ biểu diễn các nguyên tử tương ứng với các hạt tải tự do mà quên đi

một lượng rất lớn các nguyên tử trung hồ Cũng cần lưu ý rằng cĩ thể cĩ nhiều hạt tải tự

do trên nguyên tử ¡-ơn hố: Hai miền bán dẫn loại N và P sẽ hình thành chuyển tiếp P-N

Vùng chuyển tiếp P-N này tạo nên một linh kiện rất hay được sử dụng trong điện tử học là

điết bán dẫn

0000008 0,060 0,0, ©O®@®OOOO

ÒoOOOO| @đooooe@e@ @OOO6@O6®

Bán dẫn tịnh khiết Bán dẫn loại P`_ Bán dẫn loại N

3.LKBO Vi MACHA

_ Hình 2.1 Bán dẫn pha tạp và tỉnh khiết *

_ 2.4 NANG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐƠN TINH THỂ - VÙNG NĂNG LƯỢNG

Trang thai don tinh thé được đặc trưng bằng sự phân bố đều đặn của các nguyên tử

trong không gian theo một mạng tuần hoàn ba chiều Giả sử có một chuỗi gồm N nguyên

tử giống hệt nhau, lúc đầu nguyên tử này cách xa nguyên tử kia Khi đó, mỗi nguyên tử sẽ

có các mức năng lượng được phép đều bị chiếm Bây giờ, nếu NÑ nguyên tử đó được sắp xếp

trong mạng tinh thể thì chúng sẽ tương tác với nhau, làm cho các mức năng lượng được

phép cho các điện tử bị biến diệu Mỗi mức năng lượng của nguyên tử cô lập sẽ phải tách

thành N mức gián đoạn để thoả mãn nguyên lý Pauli và mỗi một điện tử trong tinh thể có

một mức năng lượng riêng, gần ngay mức ban đầu Vì trong tinh thể, số nguyên tử rất lớn

(cỡ 10” nguyên tử trên một cm”) do đó trên trục năng lượng, mỗi mức năng lượng được

phép cũng tách thành từng ấy mức; chúng sắp xếp rất gần nhau tạo thành những vùng năng

lượng được phép cách nhau bởi các vùng cấm

ọ 3p ; 6 vị trí, 2e

| Vùng hoá trị J

— x 2 TA ye

"h ⁄⁄ Năng lượng của 1 điện tử

a “ trong một nguyên tử cô lập

a

Khoảng cách giữa Khoảng cách giữa - các nút mạng ¬ các nguyên tử

Hình 2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể silic ở 0°K

Đối với các điện tử ở những lớp bên trong, thì nhiễu loạn do các nguyên tử láng giềng

gây ra rất yếu, nên chúng vẫn bị liên kết mạnh với hạt nhân của chúng, sự tách mức là rất

yếu và chỉ xảy ra trong một vùng rất hẹp Ngược lại, các điện tử ở lớp ngoài cùng tương tác

với rất nhiều nguyên tử lân bang, nên sự tách mức năng lượng xảy ra trên một vùng: rộng,

gây ra hiện tượng chồng phủ các vùng năng lượng với nhau Đối với silic, các lớp ngoài

cùng được tạo thành bởi 2 điện tử p và 2 điện tử s (có 6 vị trí ở trong mức P va 2 trong

mức s) Khi tỉnh thể được tạo thành thì các vùng do các mức 3p và 3s tách ra, chồng phủ

lên nhau: hai điện tử 3s và hai điện tử 3p tạo nên vùng đầy gọi là vùng hod tri được tính bởi

bốn điện tử trên một nguyên tử Bốn vị trí còn lại trên mức *P dugc nhom lại thành một

vùng chưa bị chiếm gọi là vùng dẫn

-Trong bán dẫn gecmani, vùng 1s nam thấp nhất, ‹ có độ rộng khoảng 102eV Vùng hoá

trị có độ rộng cỡ 10eV Vùng dẫn có độ rộng 20eV cách đỉnh vùng hoá trị một khoảng

0,7eV Đó chính là độ rộng của viìng cấm ¡ Khoảng cách năng lượng giữa vùng ls va ving

hoa tri vao 9 khoảng 11 000eY

2.2 XÁC SUẤT CHIẾM MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ

Giả sử các mức năng lượng khả dĩ giành cho điện tử nằm trong khoảng E đến E + dE là

N(E).dE, trong đó N(E) là mật độ năng lượng Ở trạng thái cân bằng nhiệt động (T g1ữ cố - định), điện tử phân bố theo thống kê Fermi — Dirac với xác suất chiếm mức năng lượng E là:

1+ exp Ee trong đó: K = 8,63.10° eV/K 14 hang s6 Boltzman;

T là nhiệt độ tuyệt đối Ở nhiệt độ phòng T = 300 °K, thi:

KT = 26.107 eV;

E¡ là mức năng lượng Fermi

Nếu điện tử có hàm phân bố f(E), thì nồng độ của điện tử; tức là số điện tử trên một

đơn vị thể tích sẽ được xác định từ biểu thức:

n= [2NŒ)fŒ)d(Œ)

0

Thừa số 2 là do mỗi mức năng lượng có thể bị chiếm bởi hai điện tử có spin ngược

nhau Tích phân lấy theo tất cả các mức năng lượng khả dĩ của điện tử Gốc năng lượng

được lấy từ đáy vùng dẫn Vì vậy năng lượng Fermi E; là một hàm của nồng độ n, của

nhiệt độ T và của tất cả các thông số có thể có tác động lên các mức năng lượng

Ở nhiệt độ T = 0”K thì:

-lnéu E<E,

f(E) =

Onéu E> E, Điều đó có nghĩa rằng tất cả các mức năng lượng ở phía dudi E, déu bi chiếm, trong

khi các mức nằm trên E; thi lai trống hoàn toàn Khi E = E; thì f(Œ) = 1/2 Vậy mức năng

lượng Fermi là mức năng lượng có xác suất bị chiếm bằng 50% f(Œ) thay đổi rất nhanh ở

lân cận mức năng lượng Fermi Ez 90% sự thay đổi của f(E) xảy ra trên một khoảng năng

tuân theo thống kê Fermi — Dirac Lúc này, một số

điện tử ở đỉnh vùng hoá trị có năng lượng E, có thể 0K T,>0K

vượt qua vùng cấm đi tới đáy vùng dẫn Quá trình 1 = E34

này để lại trong vùng hoá trị những lỗ hồng về vị trí $} - 271

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, nếu độ rộng vùng |

cấm E, - E, = E, lớn hơn 2 hoặc 3 eV thì số điện tử Hình 2.3 Sự phân bố điện tử theo

trong vùng dẫn thực tế bằng không Vật liệu đó là _ ` nănglượng

chất cách điện Ngược lại, nếu E, vào khoảng l eVthì sy

vùng hoá trị và vùng dẫn sẽ bị chiếm một phần và làm xuất hiện độ dẫn điện nào đó Trường

hợp này là vật liệu bán dẫn; chẳng hạn như S¡ hoặc Ge c6 độ rộng vùng cấm tương ứng là

1,12 eV và 0,66 eV ởnhiệtđộ0°K — _, : "

19 - 7

Điện trở suất của vật liệu bán dẫn sẽ giảm khi nhiiệt độ tăng vì số điện tử được giải

phóng từ vùng hoá trị lên vùng dẫn tăng theo nhiệt độ

_ Trong các chất bán dẫn, ở nhiệt độ T # 0 °K, ving din và vùng hoá trị có thể bị chiếm

một phần, vì vậy chúng có thể tham gia quá trình dẫn điện |

Giả sử trong một đơn vị thể tích của vật dẫn chỉ có điện tử với vận tốc định hướng là

Vv thì mật độ dòng sẽ là -q V, (ký hiệu q là điện tích của proton có giá trị dương), khi đó

mat do dong do tat cả các điện tử của vùng sẽ là -q3_Ý, tổng lấy theo tất - cả các trạng thái

bị chiếm của vùng

Để tính dòng điện, phải xác định được vận tốc của điện tử Thế nhưng, mỗi điện tử

trong các vùng năng lượng lại có khối lượng hiệu dụng khác với khối lượng của điện tử

được tự do hoàn toàn, vì khối lượng hiệu dụng của điện tử phụ thuộc vào năng lượng của

nó, nên trong các vùng năng lượng khác nhau chúng sẽ có khối lượng hiệu dụng khác

nhau Do vậy, đóng góp của các điện tử ngay trong một vùng năng lượng thôi cũng rất

phức tạp Tuy nhiên, để đơn giản, trong các vật liệu bán dẫn, chúng ta chỉ xét các điện tử

Trong vùng dẫn, số điện tử rất nhỏ so với mức năng lượng được phép giành cho chúng,

4

.vì vậy điện tử hầu như chỉ chiếm các mức năng lượng thấp nhất ở đáy vùng dẫn có năng

lượng E,, nên chúng có khối lượng hiệu dụng gần như nhau Trên thực tế, người ta có thể

coi chúng có cùng khối lượng hiệu dụng m,

Cũng suy luận tương tự như vậy, các vị trí trống do các điện tử vừa rời khỏi vùng hoá trị lại

rất ít so với toàn bộ số mức của vùng đó và nằm rất gần đỉnh vùng hoá trị E„ Nếu thiếu một

điện tử ở vùng hoá trị, thì mật độ dòng do tất cả các điện tử khác của vùng này sẽ là —q > V.,

ca h szi

ở đấy ký hiệu ¡ là điện tử bị thiếu Bây giờ giả sử thêm vào điện tử vắng mặt ( —q Ý, ) một hạt

tưởng tượng có điện tích +q và chuyển động với vận tốc Ỷ, thì về mặt công thức toán học

chúng bằng không Kết quả trên cho thấy rằng độ dẫn điện trong vùng hoá trị như là đo một

hạt tưởng tượng có điện tích +q chiếm các trạng thái trống ở đỉnh vùng hoá trị gây ra Hạt

tưởng tượng này được gọi là lỗ mrống Người ta có thể gắn cho nó một khối lượng hiệu dụng m,

Nhu vậy trong vật liệu bán dẫn có hai loại hạt tải điện: điện tử trong vùng dẫn và lỗ

trống trong vùng hoá trị

Ví dụ bán dẫn silic và gecmani:

Môi nguyên tử của tỉnh thê silic hoặc HK At

gemami trao đổi bốn điện tử ở vòng si 5x1 si

nhất để tạo nên 4 liên kết đồng hoá trị; | |

Có nghĩa là ở nhiệt độ “K tất cả các

điện tử hoá trị của silic đều tham gia

vào liên kết nguyên tử, do vậy vành hoá TT

trị là hoàn hảo Hay nói khác đi vùng

hoá trị bị bão hoà, tức là tất cả các mức

năng lượng được phép ở trong vùng hoá Hình 2.5 Sự phát sinh một cặp điện tử - lỗ trống

trị đều bị chiếm bởi điện tử, trong khi ở

vùng dẫn lại bỏ trống hoàn toàn

ˆ g-dẫn- tử hoá trị có thể thu năng lượng nhiệt để phá

vỡ liên kết và chuyển lên mức năng lượng được phép trong vùng dẫn và để lại trong vùng

L hoá trị một số lỗ trống Như vậy đã hình thành

Ey / một cặp điện tử — lỗ trống (hình 2.5) Lỗ trống

+ +3ệt — này có thé bị lấp đầy nhờ điện ti lang giéng va

đến lượt nó, lại để lại một lỗ trống, quá trình này được lặp lại và lỗ trống hình như dịch _

chuyển một cách tự do theo hướng ngược với

hướng của điện tử Điều đó có nghĩa là việc đứt một liên kết đồng hoá trị làm cho một điện

tử chuyển dời từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Đó chính là quá trình phát sinh một cặp điện tử — lỗ

trống Còn quá trình ngược lại; tức là quá trình xây dựng lại một liên kết nhờ điện tử rơi từ

vùng dẫn xuống vùng hoá trị (với sự phát xạ năng lượng) là sự tái hợp (xem hình 2.6)

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, số điện tử phát sinh đúng bằng số điện tử tái hợp

Bán dẫn như vậy được gọi là bán đẫn ròng (hay còn gọi là bán dẫn tỉnh khiết)

Còn xác suất chiếm chỗ của lỗ trống bằng xác suất để vị trí này không bị chiếm bởi

điện tử, nghĩa là bằng:

f, (E) = 1-£,(2)= ——

KT

Giả sử n và p là nồng độ điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị (chính là số

điện tử và lỗ trống trong một đơn vị thể tích); chúng được tính từ biểu thức sau:

trong đó: E.„„„ là mức năng lượng cao nhất của vùng dan;

E„„„ là mức năng lượng thấp nhất của vùng hoá tri;

Thừa số 2 là do mỗi mức năng lượng có thể bị chiếm bởi 2e có spin ngược nhau

| N(E) va PŒ) là các mật độ trạng thái trong vùng dẫn và vùng hoá trị, chúng được xác

Thay các biểu thức này vào (2 1) va md réng can lay tich phan cua E,,,,, va Evin Ta VÔ

cùng (điều này không gây ra sai số khi lấy tích phân), ta thu được:

Giả sử bán dẫn là không suy biến, nghĩa là các trạng thái bị chiếm bởi điện tử và lỗ

trống rất nhỏ so với toàn bộ số mức đã có, do vậy có thể loại trừ 1 trước hàm mũ, vì giá trị

của (E~ E,) và (E,— E) rất lớn so với KT Khi đó xác suất bị chiếm đồng nhất với xác suất

hay: n= N, exp - Tai

Tích số (n.p) này độc lập với E;, nhưng lại là một hàm số của nhiệt độ T và của độ

rộng vùng cấm (E, —- E,) = E, của vật liệu bán dẫn đã khảo sát

Thay các biểu thức của Nc và Ñv vào tích số n.p, ta thu được:

trong bán dẫn silic cứ 3.10” nguyên

tử silic cho một cặp điện tử — lỗ trống,

còn trong bán dẫn gecmani thì cứ 1015

2.10” nguyên tử cho một cặp Từ (2.5)

cho thấy nồng độ hạt tải trọng bán

dẫn ròng phụ thuộc rất mạnh vào 1013|

nhiệt độ Hình 2.7 cho thấy sự thay

đổi của n, theo nhiệt độ của một số

(2.3), có thể tìm được mức Fermi của 107 103 500 - 300 TK

Eg = E, -E, tt 3 KTin ae Hình 2.7 Sự thay đổi của n, theo nhiệt độ

Mm, ở một số bán dẫn chủ yếu

23

~ * * ` 4 os va `

Do vậy, nếu m,= m, thì mức Fermi nam gitta vung cam, Vl

m # m, thì mức Fermi chỉ nằm giữa vùng cấm ở nhiệt độ T = 0 ”K Khi tăng nhiệt độ T

thi mtic Fermi sé dịch về phía mà ở đó các hat tai có khối lượng hiệu dụng nhỏ nhất Chú ý

rằng, ở nhiệt độ phdng T = 300 °K, KT/q = 26.10% eV va m* khong khéc m) nhiều, thì mức

Eermi cũng nằm ở gần giữa vùng cấm `

2.5 BÁN DẪN CÓ TẠP CHẤT

Nồng độ các hạt tải trong bán dẫn thay đổi một cách đáng kể nếu chúng được pha tạp

bởi các nguyên tử tạp chất Sự phụ thêm nguyên tử tạp chất đưa bán dẫn thành loại bán dẫn

có tạp chất Bán dẫn này, mặc dầu có cấu trúc tinh thể không thay đổi so với bán dẫn ròng,

song độ dẫn điện của nó thì tăng lên rất mạnh, phụ thuộc vào mức độ pha tạp và bản chất

Mức độ pha tạp được đánh giá bằng ppm (1 ppm:l trên một triệu ứng với l nguyên tử

tạp chất trên 10” nguyên tử bán dẫn) Các nguyên tử pha tạp được chọn từ các nguyên tử

của nhóm III hoặc nhóm V trong bang tuần hoàn các nguyên tố hoá học Nếu là các

nguyên tử của nhóm II thì ta sẽ thu được bán dẫn pha tạp loại P, hoặc sẽ được bán dẫn loại

N nếu bán dẫn được pha tạp các nguyên tử của nhóm V

2.5.1 Bán dẫn loại N

Khi pha tạp silic (hoặc gecmani) các nguyên tử thuộc nhóm V (chẳng hạn như photpho

hoặc antimoan ) thì các nguyên tử tạp chất này sẽ thay thế các nguyên tử silic ở trong

mang tinh thể để tạo nên các liên kết đồng hoá trị với 4 nguyên tử silic láng giềng gần nhất

Như vậy có một điện tử hoá trị thứ 5 của nguyên tử pha tạp liên kết yếu với nguyên tử láng

giểng xung quanh và cũng liên kết yếu với nguyên tử của chính nó, nên chỉ cần một năng

_ lượng nhỏ cũng giải phóng nó khỏi nguyên tử của nó để trở thành điện tử tự do Nguyên tử

tạp chất trở thành ion dương nằm cố định trong mạng tinh thé của silic Tạp chất hoá trị 5

này được gọi là rạp chất đô-no, có nghĩa là tạp chất cho điện tử tự do Còn bán dẫn có tạp

-_ chất đô_no được gọi là bán dẫn loại N

Chẳng hạn photpho trong silic là một nguyên tử đô-no, nghĩa là nó cho một điển tử

dẫn ở trong mạng theo mô hình:

poop + (e) |

cố định linh động

Nếu pha tạp N¿ nguyên tử đô-no trên một đơn vị thể tích, thì sẽ xuất hiện trong vùng

cấm các mức năng lượng nằm rất gần đáy vùng dẫn Nếu số điện tử 2 là n và số lỗ trống là p

thì số các hạt tải tự do trong một đơn vị thể tích sẽ tuân theo định luật zác dụng khối lượng:

^^ 2 = as tA ` 2 ~ A ` A a + a x

Nếu N? >> 4n? (điều kiện này thoả mãn trong một vùng nhiệt độ khá rộng từ 307K

đến 500K đối với silic) khi đó ta có:

n=N,là các hạt tải điện cơ bẩn

dân tỉnh khiết Hình 2.8 mô tả sự thay

30°K đến 500°K mật độ điện tử không Ny=10%cm? / ¡

luong nhiet di:dé ion hod hét các lon hoá hết „/ n tĩnh khiết

nguyên tử tạp chất, nhưng không có “Bang “

khả năng tạo ra một số lớn các hạt tải vv

Chế độ này gọi là ion hoá hết đô—no a

Ví dụ: Xác định nồng độ của hạt tải 010 ¬np” tt † + +

điện không cơ bản trong bán dẫn loại N

ở nhiệt độ T = 300%, nếu nồng Ÿ pha — Hình 28 Sự thay đổi mật độ điện tử theo nhiệt độ

tạp thay đổi từ 10 đến 10'” ngtử/cm' khi Nạ = 101cm

Chương trình MATLAB sau đây

sẽ tính nồng độ các hạt tải điện không

cơ bản trong bán dẫn loại n này

tideCfNong do lo trong trong ban dan loại 1 Ắ.ẮẮằằ

xlIabel(Nong do pha tap,cm-3) - ˆ Hình 2.9 Tạp chất đô¬no -

ylabel(Nong do lo trong, cm-3) - ` trong đơn tỉnh thể silic

Kết quả cho trên hình 2 L0

x 10 Nong do lo trong trong ban dan loai N

Nang do pha tap, cm-3

- Hình 2.10 Nổng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N ở nhiệt độ T=300°K với nồng độ pha tạp

thay đổi từ 10'° đến 10'° ngtử@m° - Trong bán dẫn loại N này, mật độ hạt tải điện cơ bản được xác định từ biểu thức:

E, — Ex

n=Ni=Nocxp{ - —

v6i E,, là mức Fermi của bán dẫn loại N

2.5.2 Bán dẫn loại P

_Nếu pha tạp bán dẫn tinh khiết các nguyên tử hoá trị 3 (như bor, galium (Ga),

aluminium (Al), hodc indium ), thì mỗi nguyên tử tạp chất hoá trị 3 thay thế vị trí nguyên

_ tử bán dẫn tính khiết gốc và tạo ra liên kết đồng hoá trị với 3 nguyên tử lang giéng gan

nhất, còn liên kết thứ tư không hoàn hảo và vì vậy làm xuất hiện một lỗ trống :Do vậy, chỉ

cần một năng lượng rất nhỏ cũng cho phép một điện tử của liên kết đồng hoá trị gần đó đến

chiếm lỗ trống và lại làm đứt liên kết khác Các nguyên tử tạp chất hoá trị 3 này có xu

hướng bắt điện tử của vùng hoá trị làm tăng lỗ trống trong bán đẫn nên người ta gọi nó là

tap chat acceptor, nghia Ja tap chất bắt điện tử và cho lỗ trống Còn bán dẫn có tạp chất

Các nguyên tử tạp chất hoá trị 3 này bắt điện tử trong vùng hoá trị để tạo ra lỗ trống ở

trong vùng đó Nếu pha tạp N, nguyên tử tạp chất, thì trong vùng cấm sẽ xuất hiện N, mức

năng lượng nằm rất gần đỉnh vùng hoá trị Ở nhiệt độ thấp, các mức này không bi chiém

bởi điện tử, có.nghĩa là chúng còn trống; nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chúng bị lấp đây bởi,

các điện tử ở trong vùng hoá trị Do vậy, số lỗ trống trong vùng hoá trị sẽ gần bằng N, và

hat tai điện của bán dẫn loại P trên một đơn vị thể tích là:

_ Pp = N, 1 hạt tải điện cơ bản;

n, = NẺ là hạt tải điện không cơ bản |

- Trong khoảng nhiệt độ đó, các nguyên tử tạp chất đều bị ion hoá nên mật độ lỗ trống

băng mật độ nguyên tử tạp chất Chế độ này gọi là chế độ bấo hoà acceptor Số lỗ trống tự

do nhiều hơn số điện tử tự do, nên bán dẫn là loại P Với bán dẫn loại P này thì:

B„ạ_—E

p, =N,= Nụ exp [5> “|

V6i E, 1a mttc Fermi của bán dẫn loại P

a a

HO | 2

Hinh 2.11 Tap chat accepto trong don tinh thé silic

2.5.3 Độ dẫn điện của bán dẫn

Trong các tinh thể bán dẫn thực, sự chuyển

dời của các hạt tải điện bị ngăn trở bởi dao động

nhiệt của nguyên tử của mạng tinh thé, bởi sự có

mặt của các khuyết tật, của các tạp chất và của

các hạt tải điện tự do khác có trong mạng tinh Ve > Va

thể đó Điện tử chịu tất cả các va chạm với các

“trở ngại” nói trên, làm cho quỹ đạo chuyển

động của chúng trở nên hỗn loạn, vì vậy vận tốc: [ ®—————

trung bình theo hướng bằng không Hình 2.12 Dòng điện I

Nếu tạ tác động một điện trường | # đủ lớn _ | trong vat ligu ban dan

vào một thỏi bán dẫn hình trụ như trên hình 2.12,-

thì vận tốc trung bình của hạt tải sẽ tỷ lệ với điện trường E theo hệ thức:

< Vad ete É -cho điện tử và:

os Vp: >= HE cho lỗ trống; pha

trong đó: Lạ Và: au, là độ linh h động của điện tử và của lỗ trống

> ¬ ` 2 sử ` “a a G

Chiều của < Vn> ngược với chiều của E, trong khi chiều của < Vẹ > cùng chiêu với E

Khi đó mật độ dòng của điện tử và lỗ trống là:

trong đó: ơ, và o, là độ dẫn điện của điện tử và lỗ trống

Nếu cả hai loại hạt tải cùng tham gia dẫn điện thì mật độ dòng tổng cộng sẽ là:

J= J, + J, =(6, +6,)E =oE

với o'= q (np, + py) là độ dẫn điện của p(Ôm) ở T = 300 K _

bán dẫn khi có cả hai loại hạt tải tham gia 10” _

dẫn điện \\ ‘ P

Đối với bán dẫn loại N, thìn >>p, T9” NEG an

nhiều thì điện trở suất của nó sẽ càng

giảm khi mật độ nguyên tử tạp chất 10 102 10° 10% +0” 10” (m*)

tăng Do vay cơ chế dẫn điện ở trong Hình 2.13 Điện trở suất của Ge và của Sỉ thay đổi

vùng pha tạp mạnh tương đối phức tạp theo nồng độ tạp chất ở T = 300 °K

- Đối với bán dẫn loại P, độ dẫn điện của nó là:

6, = GN, w„ (Ó.cm)}””

Khi N,tăng thì ø, cũng tăng, do vậy điện trở suất giảm Bán dẫn pha tạp càng mạnh thì

: điện trở suất càng giảm Tuy nhiên, độ linh động H„ giảm khi tăng nồng độ tạp chất Hình

2.13 cho thấy sự thay đổi của điện trở suất và độ linh động (hình 2.14) của bán dẫn silic và

gecmani loại N và loại P theo nồng độ tạp chất N¿ hoặc N, ở nhiệt độ phòng T= 300%

Điện trở của đoạn dây dẫn dài £, thiết diện S cũng tính được:

Đối với bán dẫn nhóm IV, th tất cả các nguyên tố của nhóm V đêu là tạp chất loại N vì

chúng có 5 điện tử hoá trị Nguyên tố pha tạp thường được sử dụng nhất là photpho (P), arsen

(As), và antimoam Arsen được sử dụng nhiều hơn photpho vì độ hoà tan của nó lớn hơn

28

- “Tất cả các nguyên tố của nhóm II đều là tạp chất acceptor, vì chúng có 3 điện tử hoá

trị ở lớp ngoài cùng Nhôm (AI) ít được sử dụng hơn cả, vì nó phan ứng mạnh với ôxy (O;)

Bo là nguyên tố hay được sử dụng hơn cả

2.6.2 Sự pha tạp bán dẫn A"BY

Quá trình pha tạp bán dẫn loại này phức tạp hơn pha tạp bán dẫn nhóm IV Ta hãy lấy trường hợp GaAs làm ví dụ: Các nguyên tố của cột 6 trong bảng tuân hoàn hoá học Mendeleev nhu Te chang han, thay thé cdc nguyén tu As dé tao nén ban dan loai N, vi ion Te' có 5 điện tử hoá trị Các nguyên tố của nhóm II nhu Zn thay thế các nguyên tử Ga để tạo thành bán dẫn loại P, vì ion Zn chỉ có 3 điện tu hoa tri Trong khi các nguyên tố của nhóm IV của bảng tuần hoàn hoá học như Sĩ có thể cho pha tạp hoặc loại N hay loại Ptuỳ theo Si thay thé cho Ga hay As

Hình 2 14 Độ linh động thay đổi theo nồng độ tạp chất N, và Na của Gefa)

và của Si(b) 6 nhiệt độ phòng

29:

Ngoài ra còn có các hợp chất như Ga,.„ AI, As có độ rộng vùng cấm là một hàm của x

Bảng sau đây cho biết một số đặc trưng quan trọng của một số bán dẫn quen thuộc

2.6.3 Giới hạn về nồng độ của nguyên tử tạp chất

Mật độ cực đại các nguyên tử tạp chất mà ta muốn đưa vào trong tinh thể bán dẫn được

quyết định bởi giới hạn hoà tan của tạp chất ấy Chẳng hạn ở nhiệt độ của lò khuếch tán (từ

1000 đến 12007) độ hoà tan của As cỡ gần bằng 10?! cm và đối với Bo và photpho là vào

khoảng 10 cm Nếu vượt quá giới hạn này, thì hiện tượng kết tủa sẽ xảy ra; khi đó tạp

chất sẽ không còn có các tính chất như đã mô tả nữa Mật độ cực đại được xác định bằng

mức độ tinh khiết của vật liệu Như Bo trong Sĩ, ta không thể loại bỏ nguyên tố này xuống

dưới 10!” nguyên tử trên một cm” được, có nghĩa là luôn luôn có một nguyên tố Bo trên

5.10? nguyên tửSi -

Giới hạn trên của mật độ tạp chất được xác định bởi giá trị cực tiểu của điện trở suất

của bán dẫn được pha tạp (cỡ 10”Q.cm); Còn giới hạn dưới được quyết định bởi giá trị cực

dai của điện trở suất của bán dẫn ròng (cỡ 100.cm) |

2.7 SU CHUYỂN DỜI CỦA CÁC HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN

2.7.1 Một số định nghĩa cơ bản

Trong các tinh thể bán dẫn, nếu các hạt tải phân bố không đều, hoặc giữa các miền

khác nhau có nhiệt độ khác nhau, thì các hạt tải sẽ chuyển đời từ nơi có nồng độ cao sang

nơi có nồng độ thấp hơn, hoặc từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp Trong các trường

hợp trên, định luật tác dụng khối lượng không còn nghiệm đúng nữa, nghĩa là n.p # n?

Trong trường hợp này, tinh thé bán dẫn bị mất cân bằng nhiệt động Có thể xây ra hai

trường hợp sau day:

Néu n p > n¿: Có nhiều hạt tải hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt động Có nghĩa

_ là có sự phát sinh các hạt tải trong bán dẫn; hay nói cách khác, bán dẫn được phun các hạt -

tải điện

Nếu n.p< n?; Có ít hạt tải hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt động Có nghĩa là có

sự hút bớt hạt tải điện khôi bán dan; hay còn gọi là chế độ làm nghèo các hạt tải điện trong

30

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ các hạt tải luôn luôn thoả mãn hệ thức:

nụ Py = 0p

Trong chế độ phun yếu, mật độ các hat tải được phun nhỏ so với mật độ các hạt tải cơ

bản Trong trường hợp này, mật độ các hạt tải cơ bản giữ nguyên giá trị như mật độ các hạt

tải ở trạng thái cân bằng nhiệt động Chỉ có các hạt tải không cơ bản là bị biến đổi

Ở chế độ phun mạnh, mật độ các hạt tải được phun có thể so sánh với mật độ các hạt

tải cơ bản Trong chế độ này, mát độ điện tử và lỗ trống gân như nhau

2.7.2 Sự khuếch tán các hạt tải

2.7.2.1 Mật độ dòng khuếch tán

Trong tinh thể, nếu các hạt tải phân bố không đồng đều, hoặc giữa các miền khác nhau

có nhiệt độ khác nhau, thì hạt tải sẽ chuyển dời từ miền có nồng độ cao sang miền có nồng

độ thấp, hoặc từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hơn Hiện tượng đó được gọi

là hiện tượng khuếch tán Do đó dòng khuếch tán thu được là:

- Xuất phát từ bán dẫn đồng nhất ở trạng thái cân bằng nhiệt động Giả sử ở bề mặt bán

dẫn, nồng độ hạt tải lớn hơn mật độ cân bằng và trong lòng bán dẫn không có hiện tượng sinh hạt tải, như vậy sẽ có hai quá trình xây rá đồng thời

— Sự khuếch tán hạt tải vào phía trong bán dân, Ở đấy nồng độ luôn luôn bằng nông độ

cân bằng

,_—, Sự tái hợp hat tai du trong quá trình khuếch tan trong khoảng thời: gian bằng thời

- gian sống của chúng

g1

Chúng ta sẽ nghiên cứu hai hiện tượng trên theo hướng vuông góc với mặt phẳng đi

qua gốc của trục hoành (hình 2.15) Nếu không có mặt của điện trường trong bán dân, thì

Đại lượng L, = 4 D, t, gọi là độ dài khuếch tán Đó chính là khoảng chạy trung bình

của điện tử do sự khuếch tán trong khoảng thời gian sống Tương tự, với lỗ trống ta cũng

có: L„ = 4D, t, Hai đại lượng L„ và L„ là hai đại lượng quan trọng trong các linh kiện

bán dẫn; nhất là trong các linh kiện hoạt động dựa theo sự khuếch tán các hạt tải như trong

các linh kiện quang điện tử

| _ Chuong 3

ĐIỐT CHUYỀN TIẾP P-N

3.0 SỰ HÌNH THÀNH CHUYỂN TIẾP P—N

Như chỉ trên hình 3.1, lấy hai mẩu bán dẫn pha tạp n và p cho chúng tiếp xúc điện với

nhau Trong thực tế, phải gắn kết chúng một cách rất tình vi theo đúng nghĩa luyện kim của

từ này, nên tiếp xúc đơn thuần về mặt cơ học là không đủ để thực hiện được

Cái gì sẽ xảy ra ? Khi đó phải xem các điện tử và lỗ trống như hai chất khí Lỗ trống

có lượng rất lớn ở trong miền p sẽ khuếch tán sang miền n, trong miền p không có điện tử

Các lỗ trống này làm xuất hiện một lượng lớn các điện tử dẫn và chúng không bỏ lỡ cơ hội

tái hợp với các lỗ trống đó vì một lỗ trống thực chất là thiếu một điện tir & trong tinh thé

Cũng như vậy, các điện tử từ miền n khuếch tán sang miền p, tái hợp với lỗ trống có mặt ở

dấy Kết quả ở phía bên này và phía bên kia của mặt phân cách hai vật liệu bán dẫn tạo nên

hai vùng trống rỗng điện tích linh động Các i-ôn tích điện không chuyển động luôn có

_ mat Vì thế chúng tạo nên trong mỗi vùng, các điện tích âm ở phía bán dẫn loại p và dương

ở phía bán dẫn loại n Cả hai tạo nên vùng điện tích không gian

~=—— Khuyếch tán điện tử

cfe!o'ooo|®œ@ø@ $9 ®o®

e9 ooolee@oobĐ®@®

SOO 20O0O1GO8 )? O88

-~—-———=————-— _

Vùng điện tích không gian :

Hình 3.1 Sự hình thành một chuyển tiếp P-N

Bay gid trở lại với trường hợp một lỗ trống từ miền P tìm cách khuếch tán sang miền

N Sự có mặt của điện tích không gian dương trong miền N ngăn cản sự dịch chuyển này

Cũng như vậy, điện tích không gian âm của miền P ngăn cản sự khuếch tán của điện tử Vì

thế quá trình được tự cân bằng vì điện tích điện đã được tạo nên bởi cơ chế khuếch tán đối

ngược với bản thân sự khuếch tán Một trạng thái cân bằng được thiết lập trong đó các tác

- động của sự khuếch tán và của sự dẫn điện được tự cân bằng nhau Nếu nhìn từ bên ngoài,

tổng cộng sự truyền điện tích bằng không nên không có dong điện đi qua lớp chuyển tiếp

Bây giờ nghiên cứu chuyển tiếp P-N của hình 3.2, khi ta tác động ở hai đầu của nó

một hiệu điện thế Trong trường hợp này được minh họa trên hình 3.2b, thế dương đặt vào

phía P và âm đặt vào phía N Tác động của nguồn thế bên ngoài đưa đến tác động một lực

điện trường vào các điện tích chuyển động của vật liệu Lực làm dịch chuyển các điện tích

dương từ cực dương tới cực âm của nguồn (một pin điện chang hạn) Các điện tử chịu tác

dụng lực theo chiều ngược lại Vì thế, các lỗ trống của miền P bị đẩy tới miền điện tích `

không gian và điện tử của miền N cũng bị đẩy tới vùng điện tích không gian Cuối cùng, ˆ

vùng điện tích không gian giảm xuống, do vậy các điện tích được tạo ra bởi các ¡-ôn cố

định của vùng điện tích không gian giảm và vì vậy ngăn cản ít hơn tới sự khuếch tán của

các hạt tải Các dòng điện khuếch tán tăng lên và một dòng điện có giá trị lớn chuyển qua

linh kiện Ta nói rằng chuyển tiếp được phân cực thuận ¬

Trong trường hợp ngược lại được mính họa trên hình 3.2c, khi thế âm đặt vào miền P

và thế dương đặt vào miền N, khi đó đặc trưng ngược với trường hợp trên Các 1ỗ trống của

miền P bị hút bởi cực âm và các điện tử thì bị hút bởi cực dương Vùng điện tích không

gian tăng lên, như vậy các điện tích cố định cũng tăng lên Các điện tích của vùng điện tích không gian này, bây giờ có giá trị rất lớn, ngăn cản dòng khuếch tán Thế nhưng, có một

dòng ngược rất bé đi qua chuyển tiếp P-N Chúng tương ứng với một số điện tích dương chuyển động của vùng N và với một số điện tử chuyển động của vùng P Các điện tích này cho đến bây giờ chưa được xem xét, do nhiệt độ sinh ra hoặc liên quan với tính không tỉnh khiết của linh kiện Hình 3.3 mô tả tóm tắt quá trình thay đổi vùng điện tích không gian

của chuyển tiếp P-N khi được phân cực

Hinh 3.3 Didt da được phân cực

3.1 CAC DAC TINH TONG QUAT

Chuyển tiếp P—N là một cấu trúc bán dẫn cơ bản của nhiều linh kiện điện tử Nó được tạo thành ở miền tiếp xúc tỉnh thể bán dẫn loại N và loại P Ở đây, chúng ta chỉ quan tâm

tới tiếp xúc được thực hiện từ một đơn tỉnh thể như silic (hoặc Ge); trong đó chỉ có mức độ

pha tạp và bản chất tự nhiên của tạp chất thay đổi từ miền này sang miền khác Còn việc nghiên cứu sự tiếp xúc giữa các chất bán dẫn khác nhau và siêu mạng sẽ được đề cập ở

-_ Giả sử tiếp xúc “nhảy bác”; tức là nồng độ các hạt tải thay đổi đột ngột qua mặt phẳng

tiếp xúc Do vậy, nếu vắng mặt điện trường ngoài, các hạt tải điện cơ bản từ miền này sẽ

khuếch tán sang miền kia, tạo thành dòng khuếch tán qua lớp chuyển tiếp Cụ thể ở đây:

* Điện tử từ miền N khuếch tán sang miền P tạo thành đòng khuếch tánl„ -

* Lỗ trống của miễn P khuếch tan sang miền N tạo thành dòng khuếch tán Lips

Khi rời khỏi bán dẫn gốc các hạt tải điện cơ bản để lại ở vùng biên giới giữa hai miền

N và P các nguyên tử ion hoá (đương trong miễn Ñ và âm trong miền P), liên kết với máng tỉnh thể, vì được giữ cð định nên chúng tạo thành một điện trường nội, định xứ trong miền

biến giới và hướng tir mién N sang miền P Điện trường này có xu hướng can tro dong khuếch tán của Các hạt tải cơ bản Như vậy ở vùng biên giới giữa hai bán dẫn N và P xuất

hiện một hàng rào thế cản trở sự khuếch tán các hạt tải điện cơ bản

35

Còn các hạt tải không cơ bản (điện Tiếp xức P-N

tử trong miền P và lỗ trống trong miền

N) luôn luôn có mặt ở lân cận biên giới,

dưới tác dụng của điện trường nội lại dễ

dàng chuyển qua biên giới tạo thành

` Vùng điện tích không gian 0,5 um

Điện tích không) gian

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động,

dòng tổng cộng qua đường biên giới giữa

hai vùng bằng không bì dòng khuếch tán '

có giá trị đúng bằng dòng ngược của các '

hạt tải cùng loại Do đó xuất hiện một E(x) Điện trường

vùng không còn các hạt tải cơ bản tự do

ở lân cận biên giới Vùng đó gọi là ' "hùng ` , —

sa mạc”, hay còn gọi là vùng chuyển tiếp N /“` ' x

P-N Trong vùng này chỉ còn các nguyên ' '

tử của mạng tính thể bị ion hoá nên còn ._ VÉ) Điện thế

gọi là từng điện tích không gian IV,

Tất cả những điểu dã nói được môtá / i

trén hinh 3.4 Néu tac dung vao mién N LAL

1) Phân cực thuận nếu (V,— V„) > 0 E=0 Trường hợp này điện trường ngoài TT \ ị

làm giảm hàng rào thế, do vậy các hạt tải h7

cơ bản dễ dàng chuyển- qua lớp: chuyển ' X

tiếp và tạo ra dòng thuận có giá trị lớn, Eó |

không có tác dụng Hình 3.4 Chuyển tiếp P—N chưa phân cực

-2) Phân cực ngược nếu (V„T— V„) < 0

Trường hợp này làm nâng cao hàng rào thế Do vậy các hạt tải cơ bản không thể

chuyển qua lớp chuyển tiếp, trong khi các hạt tải không cơ bản lại chuyển qua một cách dễ

dàng để tạo thành dòng điện ngược Lớp chuyển tiếp P-N có đặc tính như vậy tạo nên một

điốt bán dẫn P-N Đó là một linh kiện điện tử hai cực có ký hiệu —DÌ—

3.2 CHUYỂN TIẾP P—N CHƯA PHÂN CỰC

3.2.1 Điện trường trong vùng điện tích không gian

Giả sử vùng chuyển tiếp không bị nhiễu loạn từ bên ngoài (điện trường, ánh sáng ) cé

nghia la trên mọi điểm của bán dẫn không có dòng điện tử và lỗ trống

Gọi: Nn | va Pop | là nồng độ điện tử và lỗ trống trong : miền p trung hoà

: - n„ và p„ là nồng độ điện tử và lỗ trống trong miễn n

N, là nồng độ tạp chất đôno trong miền n

N, là nồng độ tạp chất acceptor trong miền p

Theo một hướng vuông góc với mặt phẳng biên giới giữa hai vùng n và p, lấy gốc toạ

độ tại mặt phẳng này, thì sự thay đối nồng độ tạp chất (hình 3.5a) điện tích không gian và

các thông số khác của vùng chuyển tiếp được biểu diễn trên hình 3.5a, b, c, d, ¢, f

Ở trong vùng “sơ mạc” nồng độ điện tử và lỗ trống rất nhỏ so với nồng độ tạp chất,

nên điện tích không gian trên một đơn vị diện tích bề mặt của lớp chuyển tiếp có thể viết:

— Về phía p, giữa —x, và 0 là =qN, x

về phía n, giữa 0 và x„ là qN,xXụ

Tổng điện tích của toàn bộ vùng này bảng không (điều kiện trung hoà điện) nên ta.có:

Công thức này cho thấy miền chuyển tiếp ăn sâu vào vùng pha tạp it

Nếu gọi p(x) là mật độ điện tích của miền điện tích không gian và e = „, là háng số = ££,

điện môi của chúng thì điện trường nội và điện thế tuân theo phương trình Poission

Điện trường ở phía P (-x,< x<0):

dE(x) _ ep) aN, |

Điện trường là một đại lượng liên tục, do vậy tại x=0 ta có: E,(0)= E,(0) từ đó suy ra,

diéu kiện trung hoà điện (3 1)

Tai mat phẳng tiếp xúc (x = 0), điện trường đạt giá trị CựC đại Giá trị của nó khá lớn,

vào cỡ kV/cm va phu thuộc mức độ pha tap

Hinh 3.5 Sự phân bố hạt tải và điện trường, điện thế trong vùng điện tích không gian

3.2.2 Độ rộng vùng điện tích không gian

Lấy tích phân của điện trường theo toàn bộ chiều đài của vùng điện tích không gian, tả

sẽ thu được sụt thế trong vùng này: 7

x

“Xp

thay các biểu thức của điện trường vào các tích phân trên ta sẽ thu được:,

Sử dụng điều kiện trung hoà (3 L), ta thu được:

Độ rộng vùng điện tích không gian tăng theo chiều cao của hàng rào thế với quy luật V,’’

Khi nhiệt độ tăng, chiều cao hàng rào thế giảm, vì vậy độ rộng vùng điện tích không gian

cũng giảm theo

3.3 CHUYỂN TIẾP P_N BỊ PHÂN CỰC

3.3.1 Đặc tính của vùng chuyển tiếp khi phân cực

Nếu tác dụng một hiệu điện thế từ ngoài vào lớp chuyển tiếp P-N thì sẽ xảy ra ba quá trình:

* Cấu trúc vùng năng lượng bị biến điệu

* Vùng điện tích không gian cũng bị biến diệu

* Có mật độ dòng chuyển qua lớp tiếp xúc

Sự có mặt của hiệu điện thế Vụ V, làm xuất hiện điện trường tại mọi điểm của tỉnh

thể bán dẫn Nếu V, — V, < 0 (phân cực thuận) thì hàng rào thế bị hạ thấp xuống, nên dòng

thuận có giá trị lớn chạy qua điốt Trong vùng chuyển tiếp xuất hiện sụt thế, nhưng giá trị

_ của nó rất nhỏ so với V„ — Vụ ở hai đầu đit

Nếu V, - V„ > 0 (phân cực ngược), thế này bổ sung vào hàng rào thế làm cho nó tăng

cao Do vậy, các hạt tải điện cơ bản không thể chuyển qua vùng chuyển tiếp, trong khi các

hạt tải điện không cơ bản lại chuyển qua một cách dễ dàng: để tạo thành dòng điện ngược

kéo theo sụt thế có thể loại trừ so với hàng rào thế, nên toàn bộ thế tác.dụng bị sụt ở trong

-_ vùng chuyển tiếp gây ra điện trường rất cao

Sụt thế trong me điện tích không gian là:

3.3.2 Dòng điện qua vùng chuyển tiếp

Mật độ dòng qua lớp tiếp xúc P-N thu duoc bang cách giải phương trình trong chế độ

dùng - on =0, OP 2 = 0 dưới ảnh hưởng của V,— Vụ z 0

VỚI: Ờ : là hệ số khuếch tán của lỗ trống ở phía N

: là thời gian sống của lỗ trống ở phía N

=(D, 1)? là độ khuếch tán của lỗ trống ở phía N

Lấy tích phân hương trình trên với các điều kiện ban đầu P, (x h ) = P! vaP, (0) =P,,

ta thu được:

P, 6%) ~ Pao = (Pj ~ Pua) exp] = fe = x4) Le |

Dòng chạy qua vùng chuyển tiếp là dòng khuếch tán qua mặt phẳng x = x!: