Ebook dụng cụ bán dẫn và vi mạch phần 1 lê xuân thê

Khi nhiệt độ T > OK : Do có năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số điện tử phá vỡ liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫri và để lại một lỗ trống trong vùng hoá

LÊ XUÂN THÊ

DỤNG CỤ BÂN DẪN

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC

Phần 1

D Ụ N G C Ụ B Á N D Ẫ N

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CHƯƠNG 1

A - Công thoát nhiệt ; hằng số.

B - Độ cảm ứng từ.

b = |aj,/|u,p - Tỷ số độ linh động của điện tử và độ linh động của lỗ trống.

C3, Cy - Điện dung lớp chuyển tiếp p - n, điện dung của Varicap.

, Dp - Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống

M - Hệ số nhận hạt tải của chuyển tiếp p - n.

m *, m* - Khối lượng hiệu dụng củ^^iện tử và lỗ trống.

, N^I - Mật độ nguyên tứ axepto và đỏno.

N,^, N p - Mật độ hiệu dụng điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị

n - Mật độ điện tử.

n^, Hp - Mật độ điện tử trong bán dẫn loại n và trong bán dẫn loại p.

Iiị, Pị - Mật độ điện tử, mật độ lỗ trống trong bán dẫn không tạp

C hư ơng 1

NHỮNG C ơ SỞ VẬT LÝ CỦA CHẤT BÁN DẪN

1.1 Tính chất v ậ t lý và các dạng dẫn diện của bán dẫn

Vậi liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn Điện trở suất của chúng :

?BD ~ (10“"^ ^ lo'®) Q.cm,nằm giữa điện trở suất của kim loại

Hình 1.1 : Điện trỏ suất của các vật liệu.

Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn và các mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga,

As, và một số chất bán dẫn khác như Se, Ti hoặc niột số loại oxyt, Cacbit, Sulfua

Tính phất đặc trưng nhất của bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào

nhiệt độ, độ chiếu sáng và điện trưòrng Điện trở của bán uủti giảm nhanh khi nhiệt độ tăng

Ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Khảo sát bằng thực nghiệm cho ta sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở R của kim loại và bán dẫn được vẽ trên hình 1.2.

Hình 1.2 : Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

Ec

E f Ev

Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên tử lân cận bằng 4 điện tử hoá trị Haỉ đường thẳng nối giữa các nút mạng biếu diễn mối liên kết đồng hoá trị giữa các cặp điện tử dùng chung.

Tổng hợp các mức năíig lượng của các điện tử hoầ trị của tinh thể Ge lý tưcmg tạo nên giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1.3b Trong đó Ec : mức năng lượng đáy vùng dẫn

Ey mức đỉnh vùng hoá trị Ep mức Fecmi AE : độ rộng vùng cấm.

ở nhiệt đ ộ T = OK : ở bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đều tham gia mối

liên kết đồng hoá trị Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mức năng lượng trong vùng hoá trị Còn vùng dẫn không có điện tử Như vậy ở T = OK, bán dẫn không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hoá trị Ey và đáy vùng cấm Eg là vùng cấm có độ rộng AE = Eg - Ey

V ớ iG e: A E ~ 0 ,7 2 eV Với Si : AE~1,2 eV Như vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp một năng lượng > AE Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt.

Khi nhiệt độ T > OK : Do có năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số điện tử phá

vỡ liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫri và để lại một lỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống Độ dẫn này trong điện từ trường giống như một điện tích dưoíng có giá trị điện tích bằng điện tích của điện tử Quá trình tạo nên cặp điện tử tự

do và lỗ trống như trên được gọi là quá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên trên hình 1,3b.

Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxwell - Boltzman.

K hi đặt điện trườtĩg ngoài E vào hán dãn : chuyển động của điện tử và lỗ trống trong

bán dẫn được định hướng Nghĩa là khi T > OK bán dẫn có khả năng dẫn điện Độ dẫn càng lớn khi cưòfng độ của quá trình phát sinh ra cặp điện tử lỗ trống càng lớn Độ dẫn này bao gồm cả chuyển động của điện tử và chuyển động của lỗ trống.

Như vậy độ dẫn toàn phần gồm độ dẫn của điện tử cộng với độ dẫn của lỗ trống Gọi độ dẫn toàn phần là Y ta có :

Y = + q p P I - l p ( 1- 7 )

q^, Qp : Điện tích của điện tử và lỗ trống ;

fip : Độ linh động của điện tử và lỗ trống.

Độ dãn này được gọi là độ dãn riêng của bán dẫn Độ dẫn riêng còn gọi là độ dãn của bán dẫn không tạp chất Bán dẫn không tạp chất còn được ký hiệu là bán dẫn loại ị Độ dẫn riêng thường là không lớn Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗ trống đều chỉ là do chuyển động của điện tử trong bán dẫn (điện tử trong vùng dẫn chuyển động theo hướng ngược chiéu với điện trường Còn các điện tử trong vùng hoá trị sẽ chuyển động đến lấp các lỗ trống theo hướng ngược lại với chuyển động của lỗ trống) Mật độ điện tử và lỗ trống của bán dẫn không tạp ở nhiệt độ phòng (20°C) đối với :

Ge : 2 1 o '‘^ cm ^ , với

Si : 1,4 lO'*’ cm (Mật độ nguyên tử của mạng tinh thể là 5.10^" cm

1.1.2 Bán dẫn tạp chất

• Búu clcỉn loại n : Nếu trong tinh thể Ge ta dưa vào tạp chất là nguyên tố nhóm V ví dụ

As Nguyên tử As sẽ chiếm 1 nút mạng Nó bỏ ra 4 điện tử tạo nên liên kết đồng hoí’ tn và còn thừa 1 điên tử.

<1

■ - Vùng hoá trị

-b)

Hình 1.4 : Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất As.

Các điện tử thừa nằm ở mức năng lượng tạp chất E^, nằm trong vùng cấm và gần đáy

vùng dẫn gọi là mức Đonor (mức cho) Mức Ejj cách vùng dẫn AE¿ « AE nên ở nhiệt độ

phòng các điện tử ở mức tạp chất dễ dàng chuyển hết lên vùng dẫn để lại các lỗ trống trên

mức (nút mạng có nguyên tử tạp chất trở nên ion điện tích dưoTig).

Số lượng các điện tử từ mức nhảy lên vùng dẫn rất lớn hơn số điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn Như vậy độ dẫn của bán dẫn tạp này là độ dẫn điện tử gọi là bán dẫn loại n Trong bán dẫn loại n thì điện tử là hạt rải cơ bản, lỗ trống là hạt tải không cơ bản.

Mật độ điện tử trong bán dẫn loại n được tính :

• Bún dẫn ìoại p : Nếu đưa tạp chất là nguyên tô' nhóm III ví dụ In vào Ge ta sẽ được

bán dẫn loại p Nguyên tử In chiếm 1 nút mạng Khi thực hiện liên kết đồng hoá trị sẽ thiếu

Hình 1.5 : Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất In.

Mức tạp chất của lỗ trống là nằm trong vùng cấm và gần với đỉnh vùng hoá trị gọi là axeptor (mức nhận) Vì AE^ « AEnên ở nhiệt độ phòng các điện tử trong vùng hoá trị sẽ

dễ dàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức E ạ , để lại hàng loạt lỗ trống trong vùng hoá trị (Nguyên tử In được điện tử nhảy lên chiếm lỗ trống tạo nên ion âm).

11

Số lỗ trống này rất lớn hơn số điện tử dẫn tạo nên do quá trình phát sinh hạt tải điện Vì vậy độ dẫn của bán dẫn này là dẫn lỗ trống Lỗ trống là hạt tải cơ bản Bán dẫn được gọi là bán dẫn loại p.

Mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p được xác định :

Đ ộ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạp càng cao (có thể nằm trong vùng hoá trị như ở điot Tunel).

1.2 Sự hình thành lóp chuyên tiếp p - n Hiệu th ế tiếp xúcMiền tịếp giáp giữa hai bán dẫn loại p và loại n được gọi là lớp chuyển tiếp p - n Lớp chuyển tiếp này là cơ sở của hầu hết các dụng cụ bán dẫn Ta có thể tạo nên chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm Trước đây người ta chế tạo các lớp p - n bằng phưcmg pháp bay hơi, khuếch tán Hiện nay ngưòi ta dùng phưofng pháp Epitaxial - Planar Ta hãy nghiên cứu quá trình vật lý xảy ra trong miền chuyển tiếp mặt p - n.

Chuyển tiếp

Miền chuyển tiếp

Hình 1.6 : Chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm p - n.

Khi đặt hai loại bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, vì mật độ điện tử bên n rất lớn hơn bên p

và ngược lại mật độ lỗ trống bên p rất lớn hơn bên n tức là tại miền tiếp giá[ nhau có gradian mật độ :

Dòng khuếch tán là dòng các hạt cơ bản và được xác định :

dx jpj^(: Dòng lỗ trống khuếch tán ;

thế tiếp xúc và giản đồ năng lượng

của chuyển tiếp p - n

khi thế phân cực bằng không.

13

Kết quả là bên n tích điện dương bên p tích điện âm tạo nên điện trường E như trên hình vẽ 1.7 Dưới tác dụng của điện trường này qua lóp chuyển tiếp p - n sẽ có dòng cuốn

zác hạt tải không cơ bản Nghĩa là lỗ trống từ bán dẫn n và điện tử từ bán dẫn loại p đi qua

miền tiếp xúc Mật độ dòng cuốn được tính như sau :

jp ^ : Đòng lỗ trống cuốn ;

; Dòng điện tử cuốn ;

Qp, q„ : Điện tích của lỗ trống và điện tử ;

f0.p, : Đ ộ linh động của lỗ trống và điện tử ;

p : Mật độ lỗ trống ;

n : Mật độ điện tử.

Mật độ dòng tổng cộng đi qua miền chuyển tiếp p - n là tổng dòng khuếch tán cộng dòng cuốn Khi không có trường ngoài tổng này bằng 0 Vì khi gặp nhau chúng tái hợp trong miền chuyển tiếp p - n Vậy trong trạng thái cân bằng nhiệt động ;

iiổng = -qpD p ^ + qpPl^pE + q„D„ ^ + qnH^nE = 0 (1 -1 6 ) Khi có bán dẫn loại p đặt tiếp xúc với bán dẫn loại n thì tai chỗ tiếp xúc xuất hiện hàng rào thế tiếp xúc cpị^

Pp, p„ : Mật độ lỗ trống trong bán dẫn p và n (ở chuyển tiếp loại Ge : (Pj^ = (0,3 -r 0 , 4)V

Si : (Pk = ( 0 , 7 ^ 0 , 8 ) V

Như vậy khi không có trường ngoài đặt vào thì ở chỗ chuyển tiếp p - n có sự cân bằng nhiệt động Lúc đó mức Fecmi ở hai loại bán dẫn nằm ngang nhau (hình 1.7).

1.3 Đ ạc trưng Vol - A m pe của lốp chuyên tiế p p - n

1.3.1 Phân cực ngược

Khi ta mắc V|,g có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫn p, lúc đó miền nghèo mở rộng và độ cao hàng rào Ihế năng tăng lên (hình 1.8a) :

<I>K + v „ Trạng thái càn bằng nhiệt động bị phá vỡ Khi đó mật độ dòng khuếch tán qua miền tiếp xúc p - n theo (1 -1 2 ) và (1 -1 3 ) giảm Mật độ dòng cuốn (1 -1 4 ), (1 -1 5 ) không thay đổi, vì khi tăng V|^g chỉ làm lãng vận tốc cuốn các hạt tải chứ không làm tăng mật độ của chúng Dòng chạy qua miền tiếp xúc p - n lúc này là :

\

Đặc trưng V - A phù hợp (1 -1 8 ) cho trên hình 1.9a.

15

Hình 1.8 : Hàng rào thế và giản đồ năng lượng của chuyển tiếp p - n

khí phân cực ngược (a) và phân cực thuận (b).

ng.đth

ở điện áp ngược V > (4 -ỉ- 5) (Py = 0, IV -ỉ- 0 , 13V) Thành phần thứ nhất trong

^ng (1 -7 ) (thành phần dòng khuếch tán) I q C có thể bỏ qua và dòng ngược đạt giá trị bão hoàl^g = ly , giá trị này không phụ thuộc mức độ điện áp ngược Như vậy dòng ngược được xác định bằng dòng các hạt tải khởng cơ bản (dòng cuốn).

Khi có điện áp ngược, mức Fecmi hai bên chênh nhau v„g Nếu v„g tăng đến v^g ^

thì có sự đánh thủng và I q tăng lên đột ngột Đánh thủng lớp p - n ở đây kèm theo đánh thủng nhiệt Sự đánh thủng được giải thích như sau :

Khi V|^g > điện trường trong lớp p - n tăng lên gia tốc các hạt tải có năng lượng lớn khi va chạm sẽ ion hoá vật chất của lớp chuyển tiếp tạo nên thác lũ các cặp điện tích bổ sung làm tăng mạnh dòng ngược.

Khi nhiệt độ môi trưcmg tăng, dòng ngược cũng tăng theo công thức :

Với To = 300K Điều đó thể hiện trên hình 1.9a.

1.3.2 Phân cực thuận

Khi mắc Vjj, có cực dương vào bán dẫn p và cực âm vào bán dẫn n Miền nghèo của lớp chuyển tiếp p - n hẹp lại, độ dẫn của nó tăng lên Vì dưới tác dụng của V((, các điện tử e sẽ chuyển động về phía p còn lỗ trống chuyển động về phía n Vịf, đặt vào ỉàm cho hàng rào thế hạ xuống một lượng Vịị, (hình 1.8b) và tạo điều kiện cho sự phun hạt tải cơ bản lỗ trống

từ p sang n và e từ n sang p Khi đó qua lớp chuyển tiếp p - n sẽ có dòng thuận lớn đó là dòng các hạt cơ bản đi qua Hàng rào thế càng hạ thấp thì dòng thuận tiếp tục tăng trong khi giá trị dòng cuốn ngược không đổi.

Khi chế tạo người ta thường tạo nên mật độ hạt loại p lớn hơn 2 -r 3 lần loại n (hoặc ngược lại) Miền mật độ hạt cao, trỏf nhỏ, sẽ phun hạt tải qua lớp chuyển tiếp mạnh dùng làm emitơ Miền mật độ thấp, trở cao dùng làm'bazơ.

Dòng thuận gồm lỗ trống và điện tử ;

Đặc trưng V - A khi phân cực thuận trên hình 1.9b.

Khi Vjj, tăng thì tăng theo hàm exp.

Khi » {py dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở của miền bazơ Tj,.

Dòng thuận lớn gấp trăm lần dòng ngược Tính chất này là tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p - n Khi tăng nhiệt độ, dòng thuận cũng cao hơn.

Bán dẫn khi có mật độ tạp cao được gọi là bán dẫn suy biến Khi đó độ rộng lóp chuyển

0

tiếp chỉ hẹp cỡ 100 A Vùng hoá trị của bên p cao lên trùng với vùng dẫn của n Khi đó điện tử từ n có thể chui sang p bằng hiệu ứng đưcíng hầm Lúc đó ta có nguyên tắc hoạt động của điốt Tunel Đặc trưng V - A của điốt Tunel có dạng hình 1.9c

1.4 Chiểu rộng, điện dung của chuyên tiế p p - n

Sự phân bô' thế trong miền chuyển tiếp được xác định bằng nghiệm của phưong trình Poisson Quan hệ giữa trường thế (p và mật độ điện tích khối q ở đó :

d^íp

(1-21)

1.4.1 Chiều rộng của lớp chuyển tiếp p - n

Khi cho một khối bán dẫn loại p tiếp xúc với khối bán dẫn loại n thì sự phân bố điện tích khối ở mặt tiếp xúc đó có dạng nhảy bậc như hình 1.10.

Phuofng trình Poisson ở đây là :

x ^ > x > 0 ^ ^ = - s ĩ ỉ á

-x „ < X < 0 ->

: Mật độ nguyên tử Đonor trong bán dẫn loại n

Na : Mật độ nguyên tử Axeptor trong bán dẫn loại p.

Với điều kiện biên

dọ dx

Từ điều kiện biên :

Nếu mật độ tạp chất ở miền này rất lớn hơn miền kia (chuyển tiếp không đối xứng)

ví dụ : Ng » Njj, mật độ tạp của bán dẫn p rất lớn, hom mật độ tạp của bán dẫn n thì ( l- 2 4 a ) có thể v iế t :

19

N d ( x ) - N a ( x ) = ax

a : gradian mật độ tạp chất.

Khi đặt điện áp ngoài vào chuyển tiếp p - n thì điện áp sụt hầu hết ở lớp chuyển tiếp có

độ rộng d vì điện trở của lớp này rất lớn hơn các miền p và n Sụt áp này làm thay đổi độ rộng hàng rào thế năng Ta hãy xét cụ thể hon :

Nêu phân cực thuận : Điện áp ngoài ngược dấu vóicpi^ và hàng rào thế hạ thấp khi đó

với chuyển tiếp đối xứng (l-2 4 a ) có thể v iế t :

Điện áp thuận V càng tăng thì độ rộng vùng

chuyển tiếp càng giảm.

Nếu phân cực ngược : Điện áp ngoài cùng

dấu với Ọị^ vì vậy chiều cao hàng rào thế tăng, độ

1.4.2 Điện dung của lớp chuyển tiếp p - n

Như trên vừa trình bày, khi điện áp đặt vào chuyển tiếp p - n thay đổi thì kích thước d của nó thay đổi, độ lớn của miền điện tích không gian thay đổi làm cho điện dung của lóp này cũng thay đổi Theo công thức của tụ phẳng :

ss

c = s ^ Thay d vào ta có điện dung của lớp chuyển tiếp đối xứng :

1.5 Đ ạ c trưng V - A của cấu trúc p - ĩ - n

Đ iốt có bazơ là một vùng dẫn kim loạỉ tiếp xúc 1 phía với bán dẫn loại p, 1 phía với bán dẫn loại n gọi là điot p - i - n Khi đặt điện áp 1 chiểu từ p -> i thì các lỗ trống được phun

từ p ^ i còn điện tử được phun từ n -> i Các lỗ trống phun qua bazơ thường được tái hợp với điện tử, có 1 phần qua bên n thì được tái hợp rất nhanh vì mật độ điện tử ở đtây rất lớn Cũng có quá trình tương tự xảy ra đối với các điện tử phun từ n -> i và sang p.

21

Dòng tái hợp trong lớp i có thể tính được

Như đã biết, sự thay đổi mật độ hạt tải do tái hợp

và do sự sinh ra biểu diễn bằng công thức Sokly -

bán dẫn không suy biến ;

Tj : Thời gian s ố n g của các hạt tải điện ;

r : Tốc độ tái hợp ;

g : Tốc độ sinh ra hạt tải.

ở đây mật độ điện tử và lỗ trống phun qua miền

i để trung hoà là bằng nhau nên ti| ' = Pị ' vậy :

r - g = (iij - r i ị )

Hình 1,12 : cấu trúc p - i - n sự phân bô' mật độ hạt tải và giản đổ năng lượng của nó.

Vj , V2 : điện áp sụt trên p - i và trên i - n.

Tổng sụt thế V = Vj + V2 từ điều kiện Pj ' = I ì | ’ ta có :

Khi dòng nhỏ điện áp trên chuyển tiếp V nhỏ so với điện thế bên ngoài.

Khi dòng lớn điện tử của bazơ giảm nhiểu do sự phun hạt tải và sự phụ thuộc vào dòng

sẽ phức tạp hơn nhiều.

1.6 Sự đánh thủng lốp chuyển tiếp p - n

Khi điện áp ngược đặt vào chuyển tiếp

p - n tăng đến giá trị sẽ xuất hiện sự

tăng dòng qua điốt đột ngột Sự tăng dòng

này gây ra do nhiều cơ chế khác nhau.

Điện trường trung bình trong miền điên tích

không gian của lớp chuyển tiếp p - n :

d V 2esy ^/vN; (1 -3 4 )

Sự đánh thủng sẽ bắt đầu ở thế đạt được điện

trưòmg E^th- Như vậy nếu d càng lófn (N^I càng

nhỏ) thì V càng phải lớn Như vậy (I, sẽ lớn

nhất ở điốt p - i - n vì Njj trong miền bazơ của nó

nhỏ nhất và đ lớn nhất Có 3 cơ chế đánh thủng

điốt.

‘ng

Hình 1.13 : Các dạng đánh thủng lớp chuyển tiếp p - n.

a) Đánh thủng thác lũ : b) Đánh thủng Tunel:

c) Đánh thủng nhiệt.

1 6.1 Đánh thủng thác lũ

Vì phân cực ngược lớn độ rộng chuyển tiếp d tăng Nếu chiều rộng miền điện tích không gian của lớp chuyển tiếp d > 1 (quãng đưcmg tự do của các hạt tải điện) thì các hạt tải không cơ bản trong điện trường của chuyển tiếp khi phân cực ngược có thể đạt được

23

tốc độ ion hoá mạng tinh thể tạo nên các cặp điện tử lỗ trống Các hạt tải này lại tham gỉa quá trình ion hoá tiếp tục Tốc độ tăng dòng này có tính thác lũ.

Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào hệ số va chạm ion hoá của e và lỗ trống Đ ể đơn giản

ta coi như độ tăng dòng của 2 loại hạt này bằng nhau.

V í dụ ; Ta nghiên cứu với chuyển tiếp p - n không đối xứngn„ » Pp Trường hợp này dòrtg ngược cơ bản là dòng e dịch chuyển từ p -> n (hình 1.14).

- Gọi Xi (E) là số cặp điện tử và lỗ trống tạo nên bởi các hạt tải điện trên ỉ cm đường

đi ở điện trường cho trước.

- Gọi số điện tử đi qua lớp chuyển tiếp p - n là Hq Khi có 1 điện tử e va chạm gây ion hoá sẽ tạo nên 1 điện tử và 1 lỗ trống, điện tử này sẽ tham gia ion hoá tiếp theo.

- Giả sử iij là số điện tử tạo nên trên đoạn X (kể từ miền p).

- Gọi P2 là số lỗ trống tạo nên trên đoạn X -> d Vì từ phía p qua lớp dx chỉ cho các điện tử đi qua, còn từ phía bán dẫn n chỉ cho lỗ trống qua Như thế thì số cặp điện tử và lỗ trống tạo nên trong lớp dx bằng ;

dn = (no + n j)X id x + p2Xidx = n3Xidx (1 -3 4 )

Trong đó n3 = Rq + nj + P2 là số điện tử tại điểm d

Sau khi tích phân và goi hê số nhân điên tử là M„ = — ta có :

%d

Trong thực tế ta thường sử dụng hệ số nhân dòng điện :

^-Ĩ-I

1

c : Hằng số với mỗi vật liệu bán dẫn (c = 2 -ỉ- 6)

Cần thấy rằng, khi đánh thủng thác lũ, cùng với sự tăng dòng, điện trở của chuyển tiếp

p - n giảm đột ngột Tuy nhiên thế trên chuyển tiếp p - n không hạ thấp hcfn giá trị thế đánh thủng vì cường độ E khi đó giảm so với E cần thiết để va chạm ion hoá Vì vậy sự tăng dòng khi đánh thủng thác lũ xảy ra khi điện thế trên lớp chuyển tiếp p - n tăng không đáng kể (hình 1.13a) Điều này được ứng dụng trong điốt ổn áp.

1.6.2 Đánh thủ ng Tunel

Với bán dẫn có mật độ tạp rất cao

(N > lo'^cm “^) được gọi là bán dẫn suy

0

tiếpd < lOOA Mức Fecmi được phân bô'

như trên hình vẽ 1.15 Điều kiện d < 1 làm

cho các hạt tải không kịp lấy năng lượng để

ion hoá trong thời gian bay qua miền điện

r\

tích không gian, o đây có hiệu ứng Tunel.

Các hạt ở đây có năng lượng thấp hơn hàng

rào thế nhưng nó có thể chui qua vùng

chuyển tiếp theo cơ chế Tunel (hình 1.15).

Hệ số truyền qua Tunel vuông góc với

- Xác xuất Tunel càng lớn khi độ cao hàng rào càng thấp và độ rộng càng hẹp.

- Các e từ vùng hoá trị của p chui Tunel qua lớp chuyển tiếp sang vùng dẫn của n.

- Công suất toả n h iệt:

P b = I b h - V

Ij,j,: Dòng ngược bão hoà

- Sự phụ thuộc của dòng ngược vào nhiệt độ :

AEkT^ J

Công suất đi khỏi lớp chuyển tiếp :

T - T k

Như v ậ y :

R-ị- ; Điện trở nhiệt của đ iố t;

Tk : Nhiệt độ của thân điốt

Điều kiện thoả mãn tốt đối với những bán dẫn có AE lớn (Ij,h nhỏ) ví dụ như Si, còn Ge

có khá lớn nên khi nhiệt độ cao dễ gây đánh thủng nhiệt.

Do có phản hồi dưofng giữa sự tăng nhiệt độ và dòng ngược nên đặc trưng V - A khi đánh thủng nhiệt có một đoạn điện trở vi phân âm Nghĩa là khi dòng tăng điện thế trên chuyển tiếp giảm (hình 1.13c) Vì dòng ngược của các chuyển tiếp thường nhỏ nên nhiều trường hợp do đánh thủng thác lũ và đánh thủng Tunel làm tăng dòng ngược và điốt nóng lên Nếu điốt không có điện trở hạn chế sẽ gây nên đánh thủng nhiệt.

27

Chưđng 2

CÂC LOẠI ĐIỐT BẢN DẪN

2 1 Phân loại đ iố t bán dẫn

Ngày nay, người ta đã chế tạo rất nhiều loại điốt bán dẫn có chức năng khác nhau được làm từ các chất bán dẫn đơn chất hoặc bán dẫn hợp chất, theo các quy trình công nghệ khác nhau Sự hoạt động của các điốt này đều dựa trên các hiệu ứng xảy ra trên lớp tiếp giáp

p - n Tuỳ theo cấu tạo, nguyên tắc hoạt động mà người ta chia điốt ra làm nhiều loại khác nhau Hình 2.1 là ký hiệu của các điốt chỉnh lưu, điốt tách sóng (hình 2; la), điốt ổn áp (còn gọi là điốt Zener) (hình 2.1b), varistor (hình 2.1c), điốt biến dung (varicap) (hình 2.1f), điốt schottky (hình 2 le), điốt đường hầm (tunel) (hình 2.1d) phôtô điốt (hình 2.1g), điốt phát quang (hình 2 Ih)

Đặc trưng von - ampe của điốt chỉnh lưu (hình 2.2).

Ge : Có điện áp tiếp giáp Uị = (0,3 -ỉ- 0 ,4)V

S i : Có điện áp tiếp giáp Uj = (0,5 -ỉ- 0 ,8)V

Thông số cần quan tám

- : Điện áp ngược lớn nhất cho phép (càng lón càng tốt).

- max : Dòng thuận trung bình lớn nhất cho phép điốt làm việc lâu dài không

bị hỏng.

- : Giá trị trung bình của điện áp thuận sụt trên điốt khi nó làm việc

ởlthtb-29