Linh kiện bán dẫn và vi mạch

Bủy giờ, nếu N nguyên tử đó được sắp xếp trong mạng liiih thê thì chúng sẽ lương lác với nhau, làm cho các mức Iiãng lượng được phép c h o các điện ur bị biến điệu : Mỏi mức nũng lượng c

Công ty cổ phẩn sách Đại học • Dạy nghê - Nhà xuất bản Giáo dục giữ quyển công bố tác phẩm

Mọi tổ chức, cá nhàn muốn sử dụng tác phẩm dưới mọi hinh thức phải dược sự dóng Ỷ của chủ sở hữu quyển tác giả.

0 4 - 2 0 0 9 /C X B /l 49 - 2 1 1 7/G D Mã s ô ': 7 B 5 7 7 y 9 - DAI

Lời giới th iệu

Cuốn sách "Linh kiện bán dản và vi mạclì" là nội dung chính CÌUỈ giáo trình đã dược giáng dạy nhiểu năm ớ Khoa công nghệ Đại học quốc gia Hà Nội và cũng được lác gi;i SỪ dụng

làm bài giáng cho sinh viên các chuyên ngành điện tứ, tin học và viễn thông trong ihời gian ỉàni clìuyổn gia ở Algerie Hàng nàm, do sự phát triến mạnh của còng nghệ vi điện lử, giáo írình cùng được bổ sung những linh kiện mới, độc biệt những linh kiện có tõc độ hoạt dộng sicii cao, ớ dày điện tứ c ó độ linh động cực cao Vì thế, bén cạiih những.linh kiện cơ ban, giáo trình còn đé cập đến Iihrrng linh kiộn của thế ký 21 như các linh kiện hoạt động dựa Ircn hiệu ứng iosep h so n hoặc những linh kiện hoại động nhờ chuyến tiếp dị linlì ihế (Heterojunclịon) Sáclì được chia làm hai phần : Phần thứ nhất giành cho việc nghiên cứu các liĩilì kiện rời rạc Pliíin ihứ hai m ò tã các đặc trưng cũng như còng nghệ c h ế tạo cùa tốt cà các loại vi mạch từ lưỡng cực lới Bi-CMOS.

Phần một c ó 7 chương : Chưofiig 1 : mô tá các lính chất cơ bán của vật liệu bán dẩn Chương 2 : m ỏ tà nguyên tác hoạt động cùa làì ca các loại diốt từ loại chỉnh lưu P-N đến các loại điòì đặc biệt như điổt Gunn hoặc điốt PIN, lừ loại lần thấp đến loại c ó lần sô' cắt cực cao Clìirơng 3 : mỏ lá chuyến tiếp dị tinh thể và siêu mạng ; Đ ó là chuyển tiếp cơ bán đế c h ế lạo nên nhiều linh kiện mới c ó tốc độ hoại động cực lớn như khí điện tử 2D Chương 4 đề cập Uiinzito luởng cực còn chương 5 là các linh kiện chính lưu c ó điểu khiển hay còn gọi là các liiih kiện thuộc họ thyrisior Chương 6 là các loại lranzito trường : Cá JFET lẫn MOS Do tính cỊiian tiọng của các loại tranzilo Irường, nên iroiìg chương này vừa m ô tá định ỉínlì lẫn định lượng ; cio vậy, độc già có dịp được so sánh các đăc trưng được tính toán bằng lý tlìuycì với các lài liệu llìực

nghiệm Chương 7 : irìnlì bìi^ các loại linh kiện quang - điện tử : các linh kiện thu qiumg, phát

q u a n g , pin mặt trời, i aser đa m ỏ ì và đơn mố t c h o c á c cứa s ổ k há c nÌKỉU g ắn với Cik sợi tị uang cung như các hnli kiện ghép nói giừa chúng với nhau và với nguôn phát cùng như với Iiguỏii thu Phiỉn 2 c ó 4 chương : Chương s nói về ích lợi và lóc độ phát tricn cùa các công nghệ vi điện

lử irong đó có cá côn g Iighệ kinh điến lẫn các còng nghệ licn tiến nhất Chương 9 là các loiỉi vi

mạch lường cực, còn chương 10 côiìg nghộ các loại vị mạch MOS và Bi-CMOS Chương 1 1 niò tà các tính châl cúa các vi mạch tuyến lính ở đây là các bộ khuếch đại thuật loán.

Trong mỗi chương, lác giả c ố gắng mô tâ hoụt dộng cúa các linh kiện, nôu bật Iiội dung vật lý c ú a từng linh k iệ n và vì v ậy người đ ọ c c ó thế hiểu n g u y ê n tác liOiil đ ộ n g củ;t từng linh kiệếi một cách sâu sắc chứ khỏng mang lính thụ động Mỗi linh kiện đều được mô ỉủ Iiguycii lac hoạt động, cấu lạo, nhưng đổng thòi cũng cho biếl địa chỉ ứng dụng trong các mạch điện lử cụ (hê Trong sách cũng m ô tả rấl nhiểu công nghệ và có sự so sánh các công nghệ khác nhau dc thốy được những im viẹt cỳa mỏi công nghệ Trong sự so sánh này đểu được mô lã dưới dạiig clổ thị đê’ nguời dọc dc câm nhủn.

Mặc dù cỏ rất nhiều c ố gắng, song do thời gian, nên chắc chắn sách còn có nliững sai sóỉ, rất mong dược quý độc gia nhộn xét, đóng góp đc lần xuủì bàn sau được đáy clủ và phong phú hơn.

TÁC GIẢ

Phần I

Chương 1

Trạng thái đơn tinh thể được đậc trưng bàng sự phân bố đều đặn của các nguyên lử Iroiig không gian theo một mạng íuần hoàn ba chiều Giá sứ có một clìuỏi g ồm N nguyên lứ gióng hệt nhau, lúc đầu ĩìguyẽn tử nùy cách xa nguyên tứ kia Khi đó, mỗi nguyên tử sẽ có các mức năiiị: lượng được phép đều bị chiếm Bủy giờ, nếu N nguyên tử đó được sắp xếp trong mạng liiih thê thì chúng sẽ lương lác với nhau, làm cho các mức Iiãng lượng được phép c h o các điện ur bị biến điệu : Mỏi mức nũng lượng của nguyên lử cô lạp sẽ phải tách thành N mức gián đoạn tic ihỏa măn nguyên lý Pauli và mổi một điện tử trong linh thể có một mức nãng lượng riêng, gần ngay mức ban đầu Vì trong linh thẽ\ số nguyên tử rất lớn (cỡ 10“^ nguyên lử trôn một cm S do đó trên Irục năng lượng, mồi mức nàng lượng được phép cũng lách thành lừng ấy mức ; chúng sáp xếp rít gần nhau lạo llìùnh nhữiig vùng năng lượng được phép cách nhau bởi các vùng cốm.

các nút mạng

ĩ liiih / / C áu trúc vù/ĩiỉ iuhìịỊ liỉỢỉìiỊ ( ùa ỉinỉi ỉhè siỉit ỠOK.

Đòi với các điện tử ớ những lớp bcn trong, thì nhiễu loạn do các nguyên tử láng giềng gây ra lâì yếu, nên chúng vẫn bị liẻn kết mạnh với hạt nhân của chúng, sự tách mức là rất yếu

và chi xáy ra trong một vùng rất hẹp Ngược lại, các diện tử ở lớp ngoài cùng lương lác với rất nlìiều nguyên lử hìn bang, nên sự tách mức năng lượng xây ra trên một vùng rộng, gủy ra hiện tượng chồng phú các vùng năng lượiìg với nhau Đối với silic, các lớp ngoài cùng được lạo thành bới 2 điện tứ p và 2 điện tử s (có 6 vị trí ờ trong mức p và 2 trong mức s) Khi tinh thế được tạo thành thì các vùng do các mức 3p và 3s tách ra, chồng phủ lẻn nhau : hai điện tứ 3s và

hai điện tử 3p tạo nên vùng đầy gọi là vùnịỊ hóa ĩrị được tính bởi bốn điện tử trên một nguyên

tử Bón vị trí còn lại trên mức 3p được nhóm lại thành một vùng chưa bị chiếm gọi là v////ự íhhì.

Trong báiì dẫn g ecm an i, vùng Is nằm thấp nhất c ó độ rộng khoáng IO"^eV Vùng hóa trị

có độ rộiig cỡ lOeV Vùi)g dản c ó độ rộíig 20eV cách đinh vùng hóa trị một khoáng 0 , 7 le V Đ ó

c h í n h là độ rộng cúa V/Í//V i ổ n ì Khoảng cách năng lượng giữa vùng Is và vùng hóa Irị vào khoáng 1 I.OƠOcV.

1.2 XÁC SUẤT CHIẾM MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ

Giả sử các mức năng lượng khả dĩ giành cho điện tử nằm trong khoáng 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 giữ c ố định), điện tử phâii bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm mức năng lượng E là :

1

f(E) =

E - E p

1 + e x p ' KT trong đó : K = 8 ,6 3 1 0 ^eV/K là hàng số Bo!tzman ;

-T là nhiệt độ tuyệt đối (ở nhiệt độ phòng -T = 300K ;

K T = 2 6 1 0 ' 'eV

Ep là mức năng lượng Fermi được xác định từ biểu thức :

n = j2 N (E )f{ E )d (E ) 0

trong đó : n là nồng độ điện tứ, tức là số điện tử trên một đơn vị thê’ tích Tích phân líTíy theo tất

cá các mức năng lượng khá dĩ của điện tử Gốc năng lượng được lấy từ đáy vùng dăn Vì vậy nâng lượng Fermi Ep là một hàm cùa nồng độ 11, cùa nhiệt độ T và ciia tất cả các ihôiig sô' có thê có tác động lên các mức năng lượng,

ở nhiệt độ T = OK thì :

1 nếu E < Ep

0 nếu E > Ep Điểu đó c ó nghĩa rằng tất cả các mức năng lượng ở phía dưới Ep đểu bị chiếm, trong khi các mức nằm trên Ep thì lại trống hoàn toàn Khi E = Ep thì f(E) = 1/2 Vậy mức năng lượng Fermi là inức Iiãng lượng có xác suất bị chiếm bằng 50%.

f(E) thay đổi rất nhanh ở lân cận mức năng lượng

Fermi Ep 90% sự thay đổi của f(E) xảy ra trên

một khoảng năng lượng ±3KT.

ở nhiệt độ T OK sự phân bố của điện tử vẫn

tuân theo thống kê Fermi-Dirac Lúc này, một s ố

điện tử ở đình vùng hóa trị có năng lượng Ev có

thể vượt qua vùng cấm đi tới đáy vùng dẫn Quá

trình này để lại trong vùng hóa trị những lỗ hổng

về vị trí (hình 1.3).

H ìn h 1 3 , M ật độ các m ức năng lượng trong vùng dần và vùng hóa trị.

ở nhiệt độ gẩn nhiệt độ phòng, nếu độ rộng vùng cấm Ec - Ey = Eg lớn hơn 2 hoăc 3eV thì s ố điện tử trong vùng dẫn thực tế bằng không Vật liệu đó là chất cách điện Ngược lại, nếu

Eg vào khoảng l e V thì vùng hóa trị và vùng dẫn sẽ bị chiếm một phần và làm xuất hiện độ dẫn điện nào đó Trưòmg hợp này là vật liệu bán dẫn chẳng hạn như Si hoặc Ge có độ rộng vùng cắm tưcmg ứng là l, 1 2 e V và 0 ,6 6 e V ở nhiệt độ 0 K.

Đ iện trở suất của vật liệu bán dẫn sẽ giảm khi nhiệt độ tăng vì s ố điên tử được giải phóng

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tăng theo nhiệt độ.

s

cùa vùng.

Đ ể tính dòng điện, phải xác định được vận tốc của điện tử T h ế nhưng, mỗi điện tử trong các vùng năng lượng lại c ó khối lượng hiệu dụng khác với khối lượng của điện tử được tự do hoàn toàn, vì khối lượng hiệu dụng của điộn tử phụ thuộc vào năng lượng cùa nó, nên trong các vùng năng lượng khác nhau chúng sẽ c ó khối lượng hiệu dụng khác nhau D o vậy, đóng góp của các điện tử ngay trong một vùng năng lượng thôi cũng rất phức tạp Tuy nhiên, để đcm giản, trong cá c vật liệu bán dẫn, chúng ta chỉ xét các điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị.

Trong vùng dẫn, số điện tử rất nhỏ so với mức nũng lượng được phép giành cho chúng, vì vậy điện tử I k I u như chi chiếm các mức n ă n g ‘lượng thấp nhất ở đáy vùng dẫn c ó năng lượng nên chúng có khối lượng hiệu đụng gần như nhau Trên thực lế, người la có thể coi chúng có cùng khối lượng hiệu dụng m„.

Cùng suy luẠn tương tự như vậy, các vị trí trống do các điện tử vừa rời khỏi vùng hóa trị lụi râì ít so với toàn bộ số mức cỉia vìmg đó và nằm rất gán đinh vùng hóa trị Ey Nếu ihiếư một điện tử ớ vùng hóa trị, thì mật độ dòng do tất cả các điện lử khác cúa vùng này sẽ là ,

s;* i

ở đáy ký hiệu i là điện tử bị thiếu Bây g iờ giá sử thêm vào điên lử vắng mặt ( - q V /) và một liọỉ

ĩirỡn^ ỉnợỉtì^ có điện tích +q và chuyển động với vận tốc Vị ihì về mặt công thức toán học,

chúiig ta c ó ihê viết :

s*ị

Nhưng = 0 vì đóng góp của toàn bộ vùng bị chiếm bằng không Kết quá trên ch o

s

thđy ràng độ dần điện trong vùng hóa trị như là do một hạt tưởỉỉỊi tượn^ c ó điện tích +C| chiếm

các trạiig thái trống ở đỉnh vùng hóa trị gây ra Hạt tưởng tượng này được gọi là ìẵ rrốỉìii Ngưòi

ta có Ihể gái) cho nó một khối lượng hiệu dụng lĩip.

Như vạy trong vật liệu bán dẫn c ó hai loại hạt tải điện ; Điệỉì tử ìroti^ VÙỈH' dần và lỗ

trố tis troỉiịi víiHiỉ hóa trị.

V í dụ bán dần silic và gecmani : Mỗi nguyên tử của linh thể silic hoăc gecmani trao đổi bốn điện tử ở vòng ngoài với bốn nguyên tử láng giểng gẩn nhất để tạo nên 4 liên kết đồng hóa trị ; Có n g h ĩ a là ở nhiệt độ OK tất cả các điện tử hóa trị của silic đều tham gia vào liẽn kết nguyên tử, do vậy vành hóa trị là hoàn hảo Hay nói khác đi vùng hóa trị bị bão hòa, tức Ui tất

ca các mức năng lượng được phép ờ trong vùng hóa trị đều bị chiếm bởi điện tử, trong khi ử

vùng dẫn lại bò trống hoàii toàn.

Khi T ƠK, năng lượng nhiệt kích thích dao động nhiệt cùa mạng linh thể Một sô' điện

lử hóa trị có tlìể thu Iiílng lượng nhiệt để phá v 5 liên kết và chuyển lên mức năng lượng được phép trong vùng dỗn và đế lại trong vùng hóa trị một số lổ trống Như vậy đă hình thành một cặp điện lử - lỗ trống (hình 1.4) Lổ trống này c ó thể bị lấp đầy nhờ điện lự ỉáng giềng và đến lượt nó lại đế lại một lỗ trống, quá trình này được lặp lại và lỏ trống hình như dịch chuyên một

cách tự do theo hướng ngược với hướng của điện tử Đ iểu đó c ó nghĩa là việc đứi 'nội ỉìtn kết

đồng hóa trị làm ch o một điện từ chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Đ ó chínl là quá trình

phár sinh một cặp điện tử - lỗ trống Còn quá trình ngược lại ; tức là quá trình xây dựng lại một

liên kết nhờ điên tử rơi từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị (với sự phát xạ nãng lượng) là sự túi hợp

(xem hình 1.5).

H in h L S , Q uá trinh p h á t sin h và tá i hợ p á iệ n tử và iỗ trống.

ở trạng thái cân bằng nhiệt động, s ố đ iện tử phát sinh đúng bằng s ố điện tử tái hợp Bán

dẫn như vậy được gọi là hán dãn ròng (hay còn g ọ i là bán dẫn tinh khiết).

E

|p (E ).fp (E ).d E

•vmin

(1.1)

Trong đó : Ecmax là mức năng lượng c a o nhất củ a vùng dẫn ;

Ev„,in ỉà mức năng lượng thấp nhất củ a vùng hóa trị ; Thừa s ố 2 là do mỗi mức năng lượng c ó thể bị ch iế m 2e" c ó spin ngược nhau.

N(E) và P(E) là các mậl độ trạng thái Iroiỉg vùng dẩn và vùng hóa !rị chúng dược xác địiih lừ các biêu thức sau :

do vẠy :

hay ;

E - E KT

là một độ trạng thái tương đương trong vùng dẫn và vùiig hóa trị Từ đó chúng ta cũng tìm được mírc năng lượng Fermi :

Thay các biểu thức của Nc vù Nv vào tích s ố n.p, ta thu được :

2 _ * ^ 3 n.p = rầị = A 1 exp

KT

(1.5)

Trong đó : ĩìị là nồng độ hạt tải điện (điện lử và lỗ trống) cúa bán dẩn ròng, ở Iihiệl độ plìòng (T ^ 300K ), trong bán dẫn silic cứ 3.10** nguyên tử silic cho một cặp điện tứ - lồ tiỏnu ; còn trong bán dản gecmani thì cứ 2.10^ nguyên tử ch o một cặp Từ (1.5) ch o thấy nồng độ híU tâi trong bán dần ròng p h ụ thuộc r ấ t mạnh v à o n h i ệ t đ ộ Hình 1.6 c h o thấy s ự thay đ ố i ci ia Iij

theo nhiệt độ của một sỏ' tinh thể bán dẫn chủ yếu.

r|i (cnrí^)

Trong một bán dẫn ròng, nồng độ điện tứ luôn luôn bằng nồng độ lổ trống ; tức là ta luôn

1.5 BÁN DẪN CÓ TẠP CHẤT

N ồ n g độ các hạt tải trong bán dẫn thay đổi m ột 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 c ó tạp chất Bán dẫn này, mãc dầu c ó cấu trúc tinh thể kh ông 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 nguyên tử của chất pha tạp.

Mức độ pha tạp được đánh giá bằng ppm (I p p m : 1 trên một triệu ứng với 1 nguyên tử tạp chất irên lo'’ nguyên tử bán dẫn) Các nguyên tử pha tạp được chọn từ các nguyên tử của nhóm III hoặc nhóm V trong báng tuần hoàn các nguyên tô' hóa học Nếu là các nguyên tử của nhóm III 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.

1.5.1 Bán dẫn loại N

Khi pha tạp silic (hoặc gecm an i) các nguyên tử thuộc nhóm V (chẳng hạn như phốtpho

hoăc antimoan ) thi các nguyên tử tạp c h ít này sẽ thay th ế các nguyên tử silic ở trong mạng

tinh thể đc lạo nên các liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên lử silic láng giềng gần nhất Như vậy

c ó một điện tử hóa trị thứ 5 của nguyên tử pha tạp liên kết yếu với nguyôn tử láng giểng xung quanh và cũng liên kết yếu với ngu yên tử của chính nó, nôn chỉ cần một nâng lượng nhỏ cũng giải phóng nó khỏi nguyên tử của nó để trờ thành điện tử tự do N guyên tử tạp chất trở thành

ion dương nằm c ố định trong m ạng tinh thể của silic Tạp chất hóa trị 5 này được g ọ i là tạp

chất clô-no, có nghĩa là tạp chất c h o điện tử tự do Còn bán dẫn c ó tạp chất đỏ-no được gọi là bán dần loại N.

Chẳng hạn phốtpho trong silic là m ột ngu yên tử đ ô-no, nghĩa là nó c h o một điên tử dẫn ở trong m ạns theo m ô hình :

c ố định linh động

1 1

Nêu pha tạp Nj nguyên tứ đô-no trẻn một đơn vị thể tích, thì sẽ xuấí hiộn íroiig vìiing L JIÌ1

c á c m ứ c nãiig lư ợ n g n ả m rất g ầ n đ á y v ù n g dả n Ncii s ố đ iệ n tir hì n và sô lỗ tr ố n g lã p (lììỉ sỏ cát

hạt Ííii tự do trong mộl đơn vị ihể lích sẽ luân tlico định luộ( /í/í khôi Ịi(Ợfì\» ;

N là các hạt lài điện klỉôiìii r ơ inỉỉi.

Còn nếu N J « 4n , nghĩa là mội độ các hạt tái ròng lớn hơn mẠí độ đỏ-no, Ihì ;

n = p = lìi

Chế độ này được gọi là í l ì ể d ộ híht íìíhi ĩiiỉli khiểí Hình 1 7 inỏ ta sự ihay đổi mật đ ộ điộn' lử

khi N^I = 1 0'^* cm"‘^ theo nhiệt độ Trong vùng nhiệt độ lừ 30 đến 500K mậl độ điện tử không tỉhiiy đổi và bủiig mật độ đỏ-no Nàng lượiig nhiệt đú để ion hóa hết các nguycn tử tạp chất, nhưny kh(ỏng

có khá nàng tạo ra một số lớiì các hạt tai Chế độ Iiày gọi là chế độ ion hỏa hớ) (ÍÔ-ÌÌO.

n/N.

N h =

lon hoá hết Đô-no

I

/ / / / Oị tinh khiết

^ — t— 1— ^ - 1 -í—

/6

ỉ i i n h Ì J S ự ịỊỉíív d o i lììật (lộ (ĩiện t ử th e o ỉìhiệt (iộ kh i N Ị ~ 10 i fn

Trong bán dản loại N này, mật độ hạt tai điện cơ bán được Xííc định lừ biểu thức :

n = N^ ị = N(-.exp E , - E Fn

KT với Ep„ là mức Fermi của bán dẫn loại N.

H ìn h 1.8 Tạp chất đô-no trong đơn rinh th ể x ilic

1.52 Rán dản loại p

Nếu pha tạp bán dẫn tinh khiết các nguyên tử hóa trị 3 (như bor, galium (Ga), aluminium (Alf, hoăc idium, ), thì mỗi nguyên tử tạp chất hóa trị 3 thay thế vị trí nguyên tử bán dẫn tinh khiết g ố c và tạo ra liên kết đồng hóa trị với 3 nguyên tử láng giểng gần nhất, còn liên kết thứ tư khíng hoàn hảo và vì vậy làm xuất hiện một lỗ trống D o vậy, chỉ cần một năng lượng rất nhỏ cũrg c h o phép một điện tử của liên kết đồng hóa trị gần đó đến chiếm lỗ trống và lại làm đứt lien kêì khác Các nguyén tử tạp chất hóa trị 3 này có xu hướng bắt điện tử của vùng hóa trị làm

tăng lỗ trống trong bán đẫn nên người ta gọi nó là tạp chất a c c e p to r, nghĩa là tạp chất bấi điện

tử và c h o lỗ trống Còn bán dẫn c ó tạp chất loại này gọi là bán dẫn loại p

Các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 này bắt điên tử trong vùng hóa trị để tạo ra lỗ trống ở trcng vùng đó Nếu pha tạp Na nguyên tử tạp chất, thì trong vùng cấm sẽ xuất hiện Na mức năng lượng nằm rất gần đỉnh vùng hóa trị ở nhiệt độ thấp, các mức này không bị chiếm bởi điện tử, c ó nghĩa là chúng còn trống ; nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chúng bị lấp đầy bởi các điện tử ờ trong vùng hóa trị D o vậy, s ố lỗ trống trong vùng hóa trị sẽ gần bằng Na và hạt tải điện của bán dẫn loại p trên một đơn vị thể tích là ;

Pp = Na là hạt tải điện cơ bản ; n„ = là hat tải điên không c ơ bản.

Trong khoảng nhiệt độ đó, các nguyên tử tạp chất đểu bị ion hóa nên mật độ lỗ trống

bing mật độ nguyên tử tạp chất C hế độ này gọi là ch ế độ hão hòa a c c e p to r Sô' lỗ trống tự do

nhiều hcfn sô' điện từ tự do, nên bán dẫn là loại p Với bán dẫn loại p này thì :

13

Pp = Na = Np.exp ^ E p p - E v '

l KT ; Với Epp là mức Fermi của bán dán loại p.

Nếu la tác động một điện trường Ẽ đủ lón ihì vừii lốc trung bình cúa lìal tái sc ti lệ với diện irường Ẻ theo hệ thức :

< Ẻ cho điện tử và

< Vp > = -fXp£ cho lổ trống.

Irong đó : và là độ linh động của điện lử và của lỗ trống.

Chiều cùa < Vj^ > ngược với chiều của Ẽ y trong khi chiều của < Vp > cùng chicu với Ẽ

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

J„ = - q n < v „ > = q n n „ Ẽ = ơ „ Ẽ

và ĩp 4 q p < Vp > = q p ụ p Ẽ = ơp Ẽ

trong đó : ƠỊ, và ơp là độ dẫn điện cúa diện tử vù lỗ trống.

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

ĩ = Jn +Jp = (ơ„ + ơp) Ẽ =ƠẼ

14

vói a = q(iụi„ + P|.tp) là độ dẫn diện của bán dẫn khi có cà hai loại hại tái tham gia đAn điệiì Đối với bán dẫii loại N, thì n » p, nên độ dản điện cúa nó là :

(Q.cm )- 1Nếu tăng thì độ dần điện ơ„ cũng tãng, do vẠy điện trở suất sẽ giám Chất bán dảii plìii

ỉ ọ p í í'///ự n lìiiU t r h ì d i ệ n f r ơ Sỉỉấỉ c ủ a nó s è í {ỊÌdnt. Tuy nhiên, độ linh động ịXị^ lại giám khi

mật dộ nguyên tứ tạp chất tăng Do vậy cơ c h ế dẫn điện ớ trong vùng pha tạp mạnh tương đối phức tạp.

Đỏi với bán dẫn loại p, độ dẫn điện cúa nó là :

ơp = qN,^ip ( n c m )“ IKhi N., ràng thì ơp cũng tăng, do vậy điện trờ suất giảm Bán dãn pha tạp càng mạnh thì điện trứ suíìt càng giam Tuy nhiên, đ ỏ linh động J,ip giảm khi lãng nồng độ tạp chấl Hình 1.10 cho thấy sư thay đối của điện trớ suất vù độ linh động (hình 1.1 ỉ ) cúa bán dẫn silic và gecmani loại N và loại p tlìco nồng độ tạp chất hoặc ở nhiệt độ phòng T = 30UK.

ỉiìttỉt ỉ 10, Diệti ĩrà snâỉ Ciia Gỉ^ và i íia Si íhítY d ổ i theo nổỉiỊị (ỉộ tạp vlìtíĩ Ớ T = 300K.

1.6 S ự PHA TẠP BÁN DẪN

1.6.1 Sự pha tạp bán dẫn nhóm IV

Đỏi với bán dẫn nhóm IV, thì tất cả các nguyên tố cùa nhóm V đều là tạp chất loại N vì chúng có 5 điện tứ hóa trị Nguyên tô' pha tạp thưòmg được sử dụng nhất là phốtpho (P), arsen ( As) v;\ antinioam Arsen được sử dụng nhiều hơn phốtpho vì độ hòa tan của nó lớn hơn.

'1'àt cá các nguyên tố của nhóm III đểu là tạp chất acceptor, vì chúng có 3 điện tử hóa trị

ở l(ýp ngoài cùng Nhôm (AI) ít được sử dụng hơn cả, vì nó phản ứng mạnh với ô -x y (O i) Bo la nguyên tỏ hay được sử dụng hơn cả.

1.6.2 Sự pha tạp bán dẫn

Quá tiình pha tạp bán dẫn loại này phức tạp hơn sự pha tạp bán dẫn nhóm IV Ta hây liVy trường hợp GaAs làm thí dụ : Các nguyên lố cùa cột 6 trong bủng tuẩn hoàn hóa học Meiicielee V

15

như Te chẳng hạn, thay ih ế các nguyên lừ A s để tạo nên bán dán loại N, vì ion Tc^ cổ 5 điện lư hóa trị Các nguyên tố cúa nhóm II như Zn thay th ế các nguyôn lử Ga đc tọo thành bán tỉẫii loai

p, vì ion Zn chi c ó 3 điện tử hóa trị Trong khi các nguyên lô cúa nhóm IV cùa bang tiiần ÌKKin hóa học như Si c ó thể ch o pha tạp hoặc loại N hay loại p lùy theo Si thay ihc c h o Ga hay As Ngoài ra còn c ó các hợp chất như Gai.^^Al^As c ó độ rộng vùng cám là một hàm cua X Báng sau đủy cho biết một s ố đặc trưng quan trọng của một s ố bán dẫn quen ihuộc-

(i) Sự thay (tổi n ia (ĩộ linh (íộiiỵ ( íui Ge theo itóiiỊỊ (íộ.

b ị S if thay iỉổ i i ùa tíộ litili (tộnỵ t tiỉí S i ih*'o HỐHỊỊ iĩộ tạp f hất

H ìn h I I L Đ ộ iinỉì ỉĩộng th a y d ố i rheo tiổnỵ dộ tạp i ỉuit

1.6.3, Giói hạn về nồng độ cua nguyén tử tạp chất

Mật độ cực đại cá c nguyên tử tạp chất mà ta m uốn đưa v ào troiig tinh thể bán cíẩn

được quyết định bởi ỉĩiới hạn lỉòíỉ tan của tạp chất ấy Chảng hạn ờ nhiệt độ của lò khuếch

tán (từ 1000 đến 1 2 0 0 ‘’C) đ ộ hòa tan của A s c ỡ gần bàng 10"* cm ^ và đối với Bo và phốipho hì vào k h oáng 10^*^ cm \ N ếu vượt quá g iớ i hạn này, ihì hiện tượng kết tủa sẻ xảy

ra ; khi đó tạp chất sẽ k h ông còn c ó cá c tính chất như đà m ô tả nữa Mật độ cực đại được xác định bằng mức đ ộ tinh khiết củ a vật liệu N hư Bo trong Si, ta k h ô n g ih ể loại bó nguyên

lố này xuống dưới l o ’ ^ n g u y ê n tử trên một cm^ được, c ó nghĩa là luôn luôn c ó một nguyên

tử Bo irên 5.10^ n g u y ẽn tứ Si.

Giới hạn Irên cua mật độ lạp chất được xác định bởi giá írị cực tiếu của điện tró siKÍt cúa bán dần được pha tạp (cỡ 10 ^ Q cm ) ; Còn giới hạn dưói được quyết định bời giá trị cực đại cúa diện Irở suất cúa bán dẫn ròng ( c ỡ 10** Q cm ).

L7 SỤ CHUYỂN DỜI CỦA CÁC HẠT TẢI TRONG BÁN DẨN

i.7.1 Một sò dính nghĩa cơ bán

Trong các tinh thể bán dản, nếu các hạl tai phãn bố khôiig đểu, hoặc giữa các miền khác nhau

có nhiệt độ khác nhau, thì các hạt tải sẽ chuyển dời lừ nơi c ó nồng độ ca o sang nơi có nóng độ thấp hơn, hoạc từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi c ó nhiệt độ thấp Trong các trườiìg hợp trên, định luật tác dụng khối lượiig không còn nghiệm đúng nữa, nghĩa là n.p ^ 11“ Trong trưòfiìg hợp này, tinh thê

bán dẫn bị nuíĩ càn hằiìịị ỉilỉiệt (ỉộiìsị, Có thế xảy* ra hai trường hợp sau đây :

a) Nếu n.p > n" : Có nhiểu hạl lái hơiì so với trưcyiìg hợp cân bằng nhiệt động Có nglìĩa là cỏ

sự pliủĩ sinh các hạt tái troilg bán dẫn ; hay nói cách khác, bán dẫn (ỉưực phun củi hạt ídi diện.

b) Nếu n.p < : Có ít hạt tải hơn so với trường hợp củn bầng nhiệt động Có nghĩíi là có

sự lìúỉ hớt liạỉ uìi (tiện khòi bán dẫn ; hay còn gọi là c h ế độ làm nghèo các hạt tái điện irong

bán dẫn.

ở trạng thái cân bàng nhiệt động, mật độ các hạt tải luôn luôn íhỏa mãn hệ ihức :

*^o Po = 11“ , Trong c h ế độ phun yếu, mật độ các hạl tải được phun nhỏ so với mật độ các hại tài

c ơ bản Trong trưòng hợp này, mật đ ộ các hạt tải c ơ bản giữ nguyên giá trị như mật độ các hạt

tâi ớ trạng thái củn bằng nhiệt động Chí c ó các hạt tải i N í ^ '

TRUNG TẨM THÒNG TIN THƯ VIỆN

17

ở c h ế độ phun niạiỉlì, mật độ các hạt tái được phun có thế so sánh với mật độ các hạt I;li

cơ bản Trong c h ế độ này, ỉĩtậr (tộ diện íử V í / lồ ĩrôỉii^ iỉcỉn nlnrnìiaiỉ.

1.7.2 Sự khuếch tán các hạt tải

1.7 2 1 M ật độ dòng khuếch tán

Trong linh ihế, nếu các hạt tải phân bố khòng đồng đều, hoặc giữa các miền khác lìhau có nhiệt độ khác nhau, thì hat tài sẽ chuyên dời lừ miển có nồng độ cao sang miển c ó nổiig dộ

thấp, hoặc lừ nơi có nhiệt độ cao sang nơi c ó nhiột độ thấp hơn Hiện tượng đ ó được gọi là ỉiiệti

Ỉỉừ/ÌHỊ kititếí li íún Do đó dòng khuếch tán llìu được là :

'au

= -iỊradỊippKT Trường liợp đặc bi ệt : trong các linh kiện bán dán coi không có s ự chênh lệch nliiệt d ộ

giữa các miển Khi đó :

ĩdn = HnKTgriầdn = qD„]^radn _ ídp = -^pKTgradp = -qDpgradp

Với D„ = |.i,, — - và Dp = |ip— - là các hệ sô klìuếch iíhì của điện lứ và lỗ trống.

Nếu tồn tại cá điện trường ngoài và sự khncch tán thì mậl độ dòng điện tử và lổ trông

/.7.2.2 K hái niệm độ dài khuếch tán

Xuủì phá! từ bán dẫn đồng nhất ở trạng thái củn bằng nhiệt động Giá sử ỏ bề mặt bán dẫn, nồng độ hụt tai lớn hcfn mật độ cân bằng và trong lòng bán dẫn không có hiệii tưựng sinh hạt tái, như vậy sẽ c ó hai quá trình xảy ra đồng thời :

- Sự khuếch lán hạt tải vào phía trong bán dẫn; ở đấy nồng độ luôn luôn bằng nồng độ cân bằng.

- Sự tái hợp hạt tải dư trong quá trình khuếch tán trong khoáng thời gian bàng thời gian sống của chúng.

Chúng ta sẽ nghiên cứu hai hiên tượng trên theo hướiig vuông góc với mặt phắiig đi qua gốc của trục hoành (hình 1.12) Nếu không c6 mặt của điện trường trong bán dẫn, Ihì mạt độ

Hiiih 1.12 Sự kinte'( h lán rác hạt uii.

19

Giá sử liếp xúc "ìiliíỉv hậc"\ tức là nồng độ các hạt tải thay đổi đột ngột qua mặt pliáiig

ỉiếp xúc D o vậy, nếu vắng mặt điện trường ngoài, các hạt tái điện cư bản từ miền này sc khuếch tán sang miền kia, tạo thành dòng khuếch tán qua lớp chuyến tiếp Cụ thế ơ đây ;

* Điện lử từ miển N khuếch lán sang miền p tạo thành dòng khuếch tán

* Lỗ trống của miển p khuếch tán sang miền N tạo thành dòng khuếch lán

Khi rời khỏi bán dẫn gốc, các hạt tải điện c ơ b^n để lại ờ vùng biên giới giữa hai miển N

và p các nguyên ỉử ion hóa (dương trong mién N và âm trong miển P), liên kết với mạng tinh

thẽ\ vì được giữ c ố định nên chúng tạo thành một diện tì ườìì\ị ỉtội, định xứ Irong miền biên giứi

và hướng từ miên N sang miên p Điện trương nay c ó xu hướiỉg củii trở dòng khuếcli lán ciia các hạl tái cơ bán Như vậy ở vùng biên giới giữa hai bán dần N và p xuất hiện mộí hàng rào thế cán trờ sự khuếch tán các hạt tai điện cơ bản.

Cồn các hạt íiii không cơ bản (điện tử ỉrong miền p và lồ trổng trong miền N) luỏii luòii

có niiỊt ờ lủn cộn biên giới, dưới rác dụng cúa điệiv trường nội lại dề dàng chuyển qua biên giới tạo thành (lòĩiiỉ m»trợ( lịp và “ lị„ đế tạo ihàiih d ò n g điện ngược tổng c ộ n g (Ijp + Iị„) hướng từ

miền N sang p.

ở trạng thấi cân bằng nhiệt động, dòng tống cộng qua đường biẽn giới giữa hai vùng bằng không vì dòng khuếch lán có giá trị đúng bằng dòng ngược của các hạt tải cùng loại Do

đó xuất hiện một vùng không còn các hạt tải cơ bản tự do ờ lân cẠn biên giới Vùng dó gọi là

"v/mt' sa niạc \ hay còn gọi là vÙNiỊ chuyển tiếp P- N Trong vùng này chi còn các nguyên tử của mạng tinh thể bị ion hóa nên còn gọi là vùỉìiỊ íỉiện ĩ i d i khỏn^

Tất cả những điều đã nói được mô tả trên hình 2.1 Nếu tác dụng vào miền N và p một điện trường ngoài, thì xảy ra hai trường hợp :

1) Phán cực rlììỉận nếu (Vp - Vj,) > 0

Trường hợp này điện trường ngoài làm giảm hàng rào thế, do vậy các hạt tải c ơ bàn dề dàng chuyển qua lớp chuyển tiếp vù tạo ra dòng thuẠn c ó giá trị lớn, trong khi các hạt tíii không

c ơ bàn lại không có tác dụng.

2) Phàn cực ỉỉiỊĩrực nếu (Vp - v,j) < 0

Trưòng hợp này làm nâng cao hàng rào ihế D o vậy các hạt tải c ơ bản không thế chuyên qua lớp chuyển liếp, trong khi các hạt tải không cơ bản lại chuyển qua một cách dể dàng đế tạo

ihàiih dòng điện ngược Lớp chuyến tiếp P-N có đặc tính như vộy tạo nên một điốt bán dỉm P-N

Đ ó là một linh kiện điện tử hai cực có ký hiệu — —

Vùng điện tích không gian 0,5 |im Điện tích không gian

V(x) Oiện thê'

Hàng rào thế đối với điện tử

E = 0

H in iỉ 2 L Chỉiyển íiẽp P -N i liira Ịĩhán i ựi

21

2.2 CHUYỂN TIẾP P-N CHƯA PHÂN c ự c

2.2.1 Điện trường trong vùng điện tích không ỊỊÌan

Giả sử vùng chuyển tiếp không bị nhiều loạn từ bên ngoài (điện trường, ánh s;íiig .) t ó nghĩa là trên mọi điểm cùa bán dẫn không c ó dòng điên tử và lỗ trống.

Gọi ;

»op Pop nồng độ điện từ và lỗ trống trong miền p trung hòa

n„„ và p„„ là nồng đ ộ điện tử và lỗ trống trong miến n.

N(1 !à nồng độ tạp chất đôno trong miền n.

Ny là nồng độ tạp chất acceptor trong miền p.

Hị là nồng độ điện tử và lỗ trông của bán dẫii ròng.

Giả sử ở nhiệt độ phòng tất cà các nguyên tứ tạp chất đều bị ioii hóa, do vộỵ ;

•^on = Pop = N a với các hạt tải c ơ bản, ta c ó :

còn với các hạt tải không c ơ bản thì :

Pon N

-T heo một hưóng vuông g ó c với mặt phàng biên giới giữa hai vùng n và p, lấy gốc tọa độ tại mặt phẳng này, thì sự thay đổi nồng độ tạp chất (hình 2.2a) điện tích không giaii và các thôiig sô' khác của vùng chuyển tiếp được biểu diển trên hình 2.2a, b, c, d e, f.

ở trong vùng "sa mạc" nổng độ điện tử và lỗ trống rất nhỏ so với Iiổng độ tạp chất, nên điện tích không gian trên một đơn vị diện tích bể mặt ciia lớp chuyển tiếp c ó thê’ viết :

vể phía p, giữa -Xp và 0 là -qN.,Xp

vé phía n, giữa 0 và x„ là qNdX,,.

T ổn g điện tích của toàn bộ vùng này bàng không (điều kiện trung hòa điện) nên ta có ;

Công thức này cho thấy m iền chuyển tiếp ăii sâu vùo yùiiịỊ p h a lạp ÍI.

Nếu g ọ i p (x ) là mật đ ộ đ iện tích của m iển điện tích khôn g gian và E = E„Er là hiiiig số điện m ôi của chúng thì diện trường nội và diện thế tuân theo phương trình Poission :

Đ iện trườiig ở phía P(-Xp < X < 0) :

Điện trường ớ phía N (0 < X < x„) :

5 E n (x ) _ p(x) _ qN,|

ỡx Sau khi tích phân và sử dụng điểu kiện giới hạn : E„(x„) = 0 ta sẽ thu được :

Điện irường là một đại lượng liên tục, do vủy tại X = 0 ta có ; E„(ơ) = Ep(0) lừ cló siiy r;i điều kiên trung hòa điện ( 2 1).

Tại mặt phảng tiếp xúc (x = 0) điện trường đạt giá Irị cực đại Giá ỉrị cùa nỏ khá lớn, VÌIO

2.3 CHUYỂN TIẾP P-N BỊ PHÂN c ự c

2.3.Ỉ Đậc tính của vùng chuyển tiếp khi phán cực

Nếu tác dụng một hiệu điện thế từ ngoài vào lớp chuyển tiếp P-N thì sẽ xáy ra bii quá liình :

* Cấu trúc vùng năng lượng bị biến điệu.

* Vùng điện tích không gian cũng bị biến điệu.

* Có một độ dòng chuyển qua lớp tiếp xúc.

Sự có mặt cùa hiệu điện thế Vp - v „ làm xuất hiện điện tfường tại m ọi điểm cúa tinh thê’ bán dẫn Nếu V - v „ > 0 (phân cực thuận) thì hàng rào thế bị hạ thấp xuống, nên dòng thuủn

có giá trị lớn chạy qua điốt Trong vùng chuyến tiếp xuất hiện sụt thế, nhưng giấ trị cúa nó rât nhô so với Vp - V,^ ờ hai đđu điốt.

Nêu Vp - V| ị < 0 (phủn cực ngược), thế này bổ sung vào hàng rào ihế làm cho IIÓ tăng cao D o vậy, các hạt tái điện cơ bủn không ihc chuyên qua vùng chuyên tiếp, trong khi các hạt tái điện không cơ bán lại chuyển qua một cách dẻ dàng để tạo thành dòng điện ngược kéo theo sụt thố có thể loại trừ so với hàng rào thế, nén toàn bộ thế lác dụng bị sụt ớ trong vùng chuyển tiếp gủy ra điện Inrờng rất cao.

Sụt thế trong vùng điện tích không gian là :

V „ - ( V p - V , , ) = V b - V trong đó; V = V - v„ là hiệu thế tác dụng từ ngoài Do vậy độ rộng vùng điện lích không g i; u i:

2.3.2 Dòng điện qua vùng chuyển tiếp Ị

Mạt độ dòng qua lóp tiếp xúc P-N thu được bằng cách giải phương trình trong cliê độ dừiig — = 0, — = 0 dưới ảnh hưởiig cùa V - v„ = 0.

D|, : là hệ số khuếch tán của lỗ trống ở phía N ;

T |, : là thời gian sống cùa lỗ trống ớ phía N ;

Lj, = (DpXp)’^' là độ dài khuếch tán của lỗ trống ớ phía N.

Lấy tích phAn phương trình trên với các điểu kiện ban đđu P|, ( x „ ) = P,Ị và ?„(<») = P|

25

Tính toán lương tự, la sẽ thu được biếu ihức cùa dòng khuếch táii ciia điện lử CỊIUI vung

chuyến tiếp khi phủn cực thuận :

Jn = e x p - ^ - 1

KT Dòng thuộn tổng cộng Ij đi qua diện tích s cùa vùng chuyến tiếp là :

qV l(j - S ( J p + J „ ) - S q D p P n o Dn»|X)

n

exp KT hay :

2.4 ĐIỆN TRỚ ĐỘNG CỦA ĐIỐT

Đ ế xác định điện trớ động, điôt được mắc trong sơ đồ hìnlì 2.4a Vùng chuyển tiêp P-N pliâii cực tại điêm p trẽn điìc trưng voii-ampe, xung quanh nó tác dụng một thế hình siii VsiiKOt Biên độ V rất nhó so với v„ Đ iểm p tương ứng với dòng 1„ và thê v „ gọi là điểm làm việc cúa điót Trong gần đúng biỊc nhất, vùng chuyên tiếp P-N được coi như gồm một điện trở I\| và một

tụ diện c mắc song song Khi phũn cực thuùn, điện trỏ độiig (hoặc điên trở vi phân) bằng nghịch đáo độ dốc cùa đường đặc trưng tại điểm phân cực.

dV dl

= 2 ( V b - V o ) ^ 2 V „

Vị, là chiểu c a o hàng rào th ế ở trạng thái cân bàng nhiệt động.

2.5 ĐIỆN DUNG CỦA ĐIỐT

2.5.1 Điện dung chuyển tiếp

Trong vùng chuyển tiếp c ó hai miền

tíclì điện ngư ợc dấu nhau, giữa -Xp và 0 đến

x„, với giá trị điện tích s.q.Na-Xp và s.q,Nj.x„.

Đ ộ dài Xp và X|, là hàm của thế V tác dụng

vào lớp chuyến tiếp (hình 2 4 ) làm dịch

chuyển giới hạn của miền chuyển tiếp.

Thực vậy, ta đã biết :

(b)

H ìn h 2.4 S ụ phởn bô'điện tich trong vùng chuyển liếp.

27

Hiện tượng trên làm thay đổi điện tích trong vùng chuyến liếp theo hiệu thế lác dụng , tí số này có thứ nguyên của điện dung Cị.

Biểu thức này chỉ đúng cho

chuyển tiếp nháy bậc Nếu nồng độ

tạp chất thay đói tuẩn tự theo hàm

bậc nhất khi đi qua vùng chuyển

tiếp, thì Q, ti lệ với (V ị , - do

vẠy Cị ( V ị , “ Nói c h u n g ,

giá trị của Cị nhỏ (khoáng vài pF

đến vài chục pF) Sự thay đói của

điện dung động cùa một vùng

chuyển tiếp P-N phân cực ngược

được cho trên hình 2.5; trong tọa độ

lương lô-ga.

Người ta ứng dụng sự thay đổi của Cị iheo thế phủn cực ngược đế c h ế tạo điối Variciip (điốt c ó điện dung thay đổi).

2.5.2 Điện dung khuếch tán

Như đã biết, khi phân cực thuận ớ trong miền chuyển tiếp các hạt tài khòng cơ bãii được phủn phối lại và thay đổi theo hàm mũ đối với thế lác dụng, trong khi Xp và x„ lại tùy lluiộc vào chính ih ế đó.

ilìtth 2.5 Sự ÍỈÌH Y tiõi Cf tlivo thê p h ú n i ựi iiỊ^iỉỢt

So với các điện lích cân bằng n^p và P ( ,„ , các điện tích do kết quả của các hạt tái dư khi ph;in cực tlìuẠii được gọi là điện tích khuếch tán Qj„ ở phía p và Qjp ở phía N Khi íhế tác

dụng thay đối thì các điện tích này cũng thay đổi theo Sự thay đổi đó tương đương với (íiện

Điện dung này có giá trị đáng C(j{10 F),r(j(0)

kê khi phân cực thuận, còn khi phân

cực ngược nó rất nhỏ so với C| Sự

thay đối điển hình của các thông số

Tđ và Cj của vùng chuyển tiếp khi

phàn cực thuộii được mô tả Irên

hình 2.6.

Các biểu thức vừa tính ở trên

chi được áp dụng c h o vùng chuyển

tiêp “nhảy bùc’\ trong đó nồng độ

tạp chất đồng đều trong cả hai miển N và p, sự phân cách giữa hai miền này rõ nét và phẳng Tuy nhiên, do cô n g nghệ ch ế tạo, nồng độ tạp chất trong linh kiện thực c ó sự khác nhau rõ rộl với mô hình đả áp dụng, nên để sử dụng được các kết quả trên chúng ta phải có một số hiệu

H ìn h 2.7, Sơ (lồ íuơng đuơìĩg cứa điốt P -N

2.6 ĐIỐT P-N TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH

Xét diốt PN"^, mắc trong mạch như trên hình 2.8a Bỏ qua tự cảm dọc theo chiều dài dây nối, còn diện trở nối tiếp với điốt được ghép vào điện trở R Bây g iờ chúng ta sẽ quan sát hiên tượng chuyến mạch khi thế phăn cực thay đổi một cách đột ngột từ phân cực ngược (trạng thái đóng) sung phùn cực thuận (trạng thái dẫn).

29

2.6.L Chuyển mạch từ trạng thái đóng sang trạng thái dẫn Tác động bỏi thế

Giả sừ tại thời điểm t = - t | , thế thay đổi mội cách tức ihời lừ gió (rị đến + V j Việc lính toán khá phức tạp 111 vì c ó hai quá Irìnli xáy ra do các điên tích cùa các điện dung cluiyêii tiếp C| và cúa điện dung khuếch tán Cj.

Khi thế V(t) còn âm (hình 2.8d) :

- t | < l < 0 Cị có lác dụng, còn Qi ít ảnh hướng Cị tích điện tới đinh cúa dòng diện

dươiig (Vp +V(^)/R, sau đ ó phóng điện với hằng s ố thòi gian T = R c,.

Ngay khi V(t) > 0, Cj không còn tác dụng nữa, trong khi Qi lại tích điện với hằng số thời gian T„ = r^Cd, Nếu R nhỏ thì c ó thể c ó đỉnh thế (hình 2.8d) Thời gian chuyên mạch vào c ỗ

a )

Ại(t)

H ìn h 2.9 Cỉìityển ììiạclì từ ilầ n sa/iịỊ cĩóiìiỊ.

* Khi t < 0, dòng qua điốt là :

» Ì V „ « V ,

Sự phân bố của các hạt tải vừa được phun qua biểu diễn trên hình 2.9c.

* Khi 0 < t < t| : Thế tác dụng lên điốt là thế phủn cực ngược, do vậy các điện tử dư từ phía p được chuyển trở lại phía N tạo nên dòng ngược tức thời, giá trị của nó bị hạn ch ế bởi điện trờ R Khi mội độ điện tử ở lối ra của vùng điện lích không gian lớn hơn so vói mủt độ cAn bằng llìì sụt thế ở hai đđu vùng chuyển tiếp có giá trị dưcriìg và còn nhò (hình 2.9d) Dòng qua điốt lúc này có giá trị :

- V K

ở đily ; V, là sụt thế trong vùng chuyển tiếp.

* Khi t = t| : mật độ hạt tải ở lối ra của vùng điộn tích không gian băng Iiop ; điều này kéo

theo Vj(t) = 0 (hình 2.9d) do vậy dòng lf bắt đầu giảm.

Khi t -> 00 : Đây là c h ế độ chờ đợi (hình 2.9c) D òng qua điốt c ó giá trị -Ig, còn thế - V r

Người ta còn đặc trưng cho các tính chất của một điốt chuyển mạch từ trạng thái đóng

saiig trạng thái dẫn bằng thời ^iaii hồi phục Í / Ị / Ị (Reverse Recovery Time) Đấy chính là thời gian, bất đẩu từ đó dòng ngược giảm 1/10 giá trị ban đẩu của nó Thời gian này tỉ lệ trực tiếp với thời gian sống của các hạt tải đã được phun qua Giả sử Q„ là điện tích tích tụ khi phủn cực thuận D òng ngược trung bình được cho bời : Is, h = QiiArr- v ì điốt là loại PN"^, nên ta có Q„ = I d V D o v ậ y ;

31

^RR

-Đ ê giám thời gian phục hổi phái giám thời gian sống cúa các liạt tái được phun Đ ic u này c ó ỉhể được thực hiện bằng cách lãng các lảm tái hợp (tãng bầy), nhưng trường họp này hii tăng cả dòng tái hợp và vì vậy tăng cả dòng ngược của điốt Bán dẫn có thời gian sống ràì nho

là GaAs Vật liệu này rất thích hợp ch o việc ch ế lạo các điốt nhanh (điốt chuyển mạch) vói iliòi gian hổi ptiục cỡ na-n ') giây.

2,6.3 Mô hình lý tưởng cua một đlốt P-N

Trong các sơ đổ chuyển mạch hoặc trong các mạch số, điốt được mô hình hóa ih c o niộ! đặc trưng lý tưởng như trên hình 2.10 Khi phủn cực ngược, dòng qua điỏt được giá thicì băng không Còn khi phân cực thuận, thì sụt thế ở hai đầu điớt giá thiết bãng không Trong m ỏ hình này, điốt được coi như một cái ngắt đóng-mở Đ iôì khóa tương đương với ngắt mớ, điòt dẫn tương đương với ngắt đóng.

Đặc trưng V (ì) thu được gồm ba đoạn thẳng ;

> Vj : Điốt dản (Vf : thế ngưỡĩìg của điốt bằng 0 ,7V đối với điỏì silic và bằng (),3V đối với gecmani), thế ở hai đáu điốt bằng thế ngưỡng cộng với sụt thế tí lệ trực tiếp với dòng qua nó.

< Vị : Điốt đóng Có dòng ngược do dòng bào hòa và dòng dò do hiệu ứng bờ gãy ra.

Vị(V)

Đ iốt lí tư ở ng

Vt lị(nA) Đăc trưng lý tưởng

>Vđ(V)

H i n ỉ i 2 l ỡ M ô ỉiìnỉi Ỉióiỉ ( tì(t m ộ t (ỉiốt /v ĩườiiiị.

2.7 CÁC LOẠI ĐIỐT ĐẶC BIỆT

2.7.ỉ Điồt Zener và diôít thác lũ

2.7.1.l Các đặc trưng của điốt zen er và thác lũ

Khi thế ngược cùa một điốt vượt quá một giới hạn nào đó thì dòng ngược bắt đầu lãng lên một cách đột ngột Giá trị giói hạn đó cùa thế ngược phụ thuộc bản chất cùa bán dẫn tạo nên điốt Cũng cần lưu ý rằng, mặc dù dòng ngược tăng lên đột ngột, nlnrng lớp tiếp xúc cùa diốt không bị phá hủy Đặc trưng cùa một điốt zener cho trên hình 2.11 ở đây c ó hai quá trình cùng song song tồn tại là hiệu ứng zener và hiệu ứng thác lũ.

đồng hóa trị Tức là c ó sự phút sinh cúi hạt nỉi (cúc cặ p cỉiện tử-lồ trấỉỉ^ \Hấf hiện) <lo Itiệỉi ứỉìỉ^

ĩìiiìiìel nội (hình 2.12).

Các điện lử c ó nủng lượng E ở phía p, trong

vùng hóa trị c ó thể chuyển sang vùng dẫn ờ cùng

mức nũng lượng của phía N bằng cách chui qua

hàng rào thế nhờ hiệu ứng tunnel.

Trong silic, hiệu ứng này xảy ra trong các

vùng chuyên tiếp có mật độ lạp chất rất cao, ở đó

vùng chuyên liếp rất hẹp để hàng rào thế c ó độ

rộng nhó hơn 500A^ thì sẽ quan sát được hiện

tượng này ở thế dưới 5 hoạc 6V , tương ứng với điện

trường khoảng Sự đánh thúng do hiệu

iiittỉt 2.12.’Câu ỉrúí vù/tịỊ Iiâỉiịỉ ỉưựiìịị í úu (ĩiòt

m là một hệ số « 2 cho silíc loại N và * 4 cho silíc loại p.

Rõ ràng là sự đánh thủng do thác lũ c ó hệ sô' nliiệi độ dương Nghĩa là thê đánh thúng tăng theo giá trị tuyệt đối khi nhiệt độ tăng lên.

T h ế đánh thủng do thác lũ lớn hơn thế đánh thủng do zener nhưng khoảng cách mà trèn

đó các thế này tác dụng lại cho thấy rằng điện trường lới hạn để gây ra sự đánh thủng do zener lại lớn hơn nhiều so với điện trường gây ra ion hóa do va chạm.

Nếu Vyv > 8V, thì sự đánh thủng là do thác lũ, còn nếu V^v < Ihì sự đánh thủng là do

hiệu ứng zener Giữa hai giá trị này, cả hai quá trình đều tham dự Do vậy ở trong vùng này hệ

sô lìlùệt độ bắng không, nghĩa là thẻ đánh thủng không phụ tlìiiộc vào nhiệt (lộ.

2.7.2 Điôt tunnel

Điổt tunnel thu được khi pha tạp tinh thể bán dẫn một miền p nồng độ cao hơn

(bán dẫn suy biến p*) và một miền loại N nồng độ cao hơn Như vậy ta dã Ihu được một vùng chuyển tiếp rất nhẩy bậc với độ rộng vùng điện tích không gian rất hẹp , cỡ mười A “.

Đặc điểm của linh kiện này là trên đặc trưng V(I) có một vùng điện tr ở vi phán úm Nhờ

đặc điếm này mà điốt tunnel được sử dụng để làm các bộ tạo dao động siêu cao tần.

Do mức độ pha tạp cao như vậy, nên giản đồ nãng lượng của vùng chuyển tiếp bị biến điệu mạnh Vì thế, ngay khi chưa c ó thế phân cực, các mức năng lượng thấp ở trong vùng dẫn của miền N'^ có cùng giá trị như các mức cao của vùng hóa trị của miền (hình 2.13a) Nhưng

do vùng chuyển liếp rất mảnh, nên điện tử từ vùng hóa trị của miền c ó thể dễ dàng xuyên qua vùng cấm để sang vùng dẫn của nhờ hiệu ứng '‘'đường hầm" (tunnel) Có nghĩa là c ó sự

chuyển dời với năng lượng không đổi từ một trạng thái chất đầy của vùng hóa trị sang một trạng thái trống của vùng dẫn.

* Khi thế phân cực thuận còn nhỏ : Giản đồ năng lượng hơi giảm xuống một lì về phía p,

c ó dòng điện tử lớn xuyên qua vùng cấm bằng hiệu ứng tunnel sang vùng dẫn của N^ Kết quả

là dòng thuận tăng lên.

* Thế phân cực thuận tiếp tục tăng cao hơn : Giản đồ năng lượng tiếp tục hạ thấp kéo theo các mức của vùng dẫn của miền N đối diện với vùng cấm cùa miển p (hình 2.13b) Do vậy, dòng điện tử do hiệu úmg tunnel bị giảm xuống Trên đặc trưng V(I) (hình 2 1 3e) xuất hiện điện trở vi phân âm được điều khiển bằng thế V Đ iên thế này làm cho linh kiện c ó thể được sử dụng

để làm các bộ tạo dao động hoậc để khuếch đại tín hiộu.

* T hế phân cực thuận tăng cao nữa : Lúc này chiều cao hàng rào thế giảm đến mức cho phép điện tử từ miền P'^ phun sang N'^ và lỗ trống từ phun sang p*, như trường hợp của điốt thông thữờng D o vậy dòng điện lại tăng lên (hình 2.13c).

H ìn ỉt 2.13 Đậi tiim g cùa (ỉiổt titnnel.

* Phủn cực ngược: Khi phân cực ngược, các mức chất đầy trong hóa trị của miàn luôn luôn đôi diện với các mức trống của vùng dẫn của miểii N*, nên điện tử và lỗ trống dễ dàng xuyên qua vùng cấm Điểu này tương ứng với dòng ngược c ó giá trị lớn trên đặc trưng V(l) (hình 2.13e) Do vậy điốt tuiinel không thể bị đóiig khi phân cực ngược, vì thế nó còn có tên gọi

H in ỉi 2 J 4 Sơcíỏ ĩỉCơíiịỊ (ĩtíơttỊỉ Cỉhỉ <1iò't titnneL

Sơ đồ điện tương đương cùa một điốỉ lunnel gổm có :

* Điộn trờ nối tiếp r^, là điện trở tiếp xúc.

* Cảm kháng nối tiếp Ls là cảm kháng của dây nối.

* Điện trớ vi phủn ủm -Pd là điện trớ vi phủn ủm của vùng chuyên tiếp tại điểm làm việc.

35

Giá trị cực tiếu cúa nó đưực cho bỏfi;

ran - 2V/1,,

trong đó: V|, và 1|, là thế và dòng đính của diốt.

2.7.3 Điỏt (ỉunn (ỉaA s

Khi lác động vào một mẩu tinh thế bán dẫn mội điện trường mạnh thì trong tinh thc bán dẫn đó xuốl hiện các dao động dòng siêu cao tần Hiệu ứng đó được gọi là hiệu ứng Gunn Điối hoạt động dựa irên hiệu ứng này được gọi là điốl Guiin Hình 2.15 mổ lã cấu lạo Iiiột điốt Giinn dùng đơn tiiih ihc bán dản GaAs Ta biết rằng trong vật liệu bán dẩn, độ dẩn điện là do ciíc hại lái điện tự do: điện lìr và lồ trống Dưới lác dụng của điện lrường» các điện tử này có thế có vân tốc định hướng rất cao bổ simg ihêm cho vận tốc chuyến động nhiệt cùa các điện tử khác nhờ các quá trình va chạm Vì các va chạm này rất nhiều, nên năng lượnjz mà các điện lử thu clưạc không thể tãiìg vỏ hạn mà clìỉ đạt một giới hạn nào đó ti lệ với điện trường ngoài Đ ộ linh dộiìg này phụ thuộc chất liệu bán dẫn đà được sử dụng Cho đến khi tâì cá ciíc diệii từ có cì.íìg độ linh động, llù lúc này độ dẫn điện của bán dẫn tuân theo định luật Ohm.

Khi điện trường vượt qua một giá trị

nào đó (khoáng 3kV /cm ), thì vân tốc định

hướng cúa các điện tứ c ó cùng giá trị như vủn

tốc chuyên động nhiệt Do vậy c ó các hiện

lượng mới xuất hiện Đặc biệt là sự phân bổ

tlìco năng lượng cùa điện lử bị biến điệu

mạnh và một số điện tử có ihể thu được nãng

lượng đáng kê trở ihành các "điện tử nóng".

Lúc này v;)t rắn không còn luân theo định

luật Ohm nữa bởi vì các điện tử nóng này

liên kết rAÌ yếu với mạng tinh ihể và trớ

thanh dièi) iư dán Bát dáu lừ iục này, tinh Ihế ở irong Irạng Ihái bat cán hang vé phươiìg diệii điện và khi thế vượt qua một giá Irị ngưởng nào đó, dòng điện thãng giáng rìít nhanh.

Trong mẫu GiỉAs ngắn và pha tạp ít loại N xuất hiện các dao động dòng siẽu cao tần với tđn số bằng nghịch đáo của thời gian chạy từ đầu này sang đầu kia cùa các điện tử Các dao động dòng này xuất hiện trong toàn bộ thể tích của tinh thể và liên quan chặt chẽ với sự chuyên động cúa các điện lử Vì thế tđn số của các dao động dòng phụ thuộc vào chiểu dài cùa niiciig bán dẫn GaAs và chiều dầy của vùng hoạt động (chiều dđy cúa miển N) Người ta có ihc tạo được điôt Gunn c ó tđn s ố hoạt động từ 26 đến 40GH z với công siiấi phái lừ 50 đến l5 0 m W ớ thế Vp = 4V.

Ciic điốt này được lắp trong các hốc cộng hưởng đế tạo ra các sóng siêu cao tán lliay tliế cho các klistrou phan xạ công suíYt bé, hoậc đế thực hiện các dao động địa phương ứng dụng trong đo lường lừ xa, làm các bộ liên kết nhi*, u đuờiìg thông tin với nhau, đế phái hiện vận tốc hoặc hướng, trong cá c rađa mini c ô n g nghiệp g ia o thông, trong đ o lường điện tử quân sự, các mini rađa phát hiện trộm xâm nhập vào nhà, ^ V

2.7.4 Điót PIN

2.7.4.Ị Cấu tạo

Điôt PIN được tạo thành Iihờ ba lớp bán dẫn, trong đó c ó hai lớp p* và N* pha tạp mạnh, kẹp giữii một lứp bán dăn tinh khiết I có độ dáy lớn hơn Nhưng vì do công nghệ ch ế tạo khống ihc chê tạo được lớp bán ciAn tinh khiết lý tướng vì thế miềii I có thể là bán dẫn loại p pha tạp riit íl, khi đó ta được điốt có lên (P*nN*), còn nếu miền I là bán dẫn loại N pha tạp ít thì điốt gọi

l à ( P ’yN*).

Xét một điốt PIN lý tưởng, độ dài miền I là Wị và không chứa bất kỳ một nguyên tử tạp chất bị iòn hóa nào Gọi p(x) là mủt độ điện tích, E(x) là điện trường và V (x) là điện thế và so sánh với điỏt P*N Ta thấy trong điốt PIN, điện trường E(x) c ó dạng hình thang, vì p(x) = 0 troiig inicii 1, chicii cao hàng rào thế trong điốt PIN lớn hơn đối với điốt P^N Năng lượng trong miền I là tuyên tính.

2.7.4.2 Đặc trưng của điốt PIN

1 Khi phàn cực tliiiậii

* Trường hựp này, điôt PIN được phân ra hai c h ế độ:

- Chê độ "mức thấp" Trong ch ế độ này, quá trình tái hợp, xảy ra trong miền 1.

- Cliế dộ "mức mạnh" thì sự tái hợp được thực hiện trong miền p* và N*.

Ngoài ra cũng phủi tính đến các vùng chuyên tiếp PN phun.

* Vùng chuyên tiếp P*I c ó sụt thế V|,*.

* Vùng chuyên tiếp IN* c ó sụt thế v„*.

* Vùng báii dần tinh khiết I cho sụt thế V|.

Do vộy thế tác dụiig là;

ó ch ế độ "///(Á iliíĩp", sụt thế V| không phụ thuộc dòng điộii, vì vậy điện trở tương đương

ti lệ với 1/Ip Do vẠy người ta c ó thê biến điệu điện trở của điốt PIN bàng cách điều chỉnh dòng

điện, ớ ch ế dộ "mức Iiiiiiiir thì đạc trưng I(V) ti lệ với V \

2 Khi phân <;/( iHỊtíỢi

Đ ộ rộng cúa vùng bán dẫn tinh khiết I hđu như không thay đổi, vì ở hai biên của nó là hai miền p* và N* pha tạp mạnh, nên vùng điện tích không gian hầu như không lan vào các miền này Do vẠy điện dung của điốt hầu như không thay đổi khi thế ngược thay đổi Điều này hoàn toàn khác với điốt P*N (hình 2.16).

Trong điốt PIN, diện tích phía dưới đường cong điện trường lớn hơn nhiểu so với điốt P*N, điều đó kéo theo thế đánh thủng ở đ iố t PIN lớn hơn nhiều so với điốt P*N.

37

Đi-Ốt P^N Pvi

2.7.4.3 ứ n g dụng của điốt PIN

ư n g dụng chủ yếu cùa điốt PIN là làm các bộ chỉnh liOí í ôiiíi siiấỉ c a o , tần sỏ thấp N ó

c ó thê’ chịu th ế ngược rất cao (tới 2 5 0 0 V ) Theo hướng thuận và trong c h ế độ phun mạnh, điện trở của vùng I được giảm xuống đáng kể nhờ điên tử và lỗ trống phun từ hai lớp chuyên tiếp P*I và IN*, do đó sụt thế thuận chỉ khoáng một vài vôn khi mật độ d ò n g có giá trị khoáng

lO^A.cm'^.

ƯIIỊ> ílụiìỊi troiiỊỊ siêu c a o nín đ ế làm các bộ ngắt m ạch Trường hợp này người ta dùng liai

tính chất của điốt: Điện dung gđn như độc lập với thế và điện trở Iigược lớn gần gấp 10^ lìin điện trở thuận D o đó, khi đạt điốt trong một đường truyền, nếu phAn cực ngược, thì tín hiệu cao tần sẽ đi qua nó một cách dễ dàng, còn nếu phân cực thuẠii, thì đường truyền sẽ bị đoán mạch

và tín hiệu cao tần sẽ bị phân xạ trở lại.

ƯII^ (luiHỊ lủm l á c hộ suy tỊÌíỉni có t h ể biến cíổi ỉioặi các hộ (íiềii cliế: Người ta dùng diệii

trở cùa điổt tỉ lệ nghịch với dòng điện khi điốt phủn cực thuủn.

c(v) pF Vd

ngược PIN p

thuận

Hình 2.17 Diện (lnnịỊ i ỉia (ỉiất PỈN.

Chưởng 3

CHUYỂN TIẾP DỊ TINH THE VÀ SIÊU MẠNG

3.1 SỤ TẠO THÀNH CHUYỂN TIẾP DỊ TINH THỂ (HETERO-JUNCTION)

Chuyên tiếp dị tinh thể được tạo thành nhờ hai tinh thể bán dẫn khác nhau Nếu hai bán dẫn cùng loại (loại N hoặc P) thì gọi là chuyển tiếp cùng loại, còn nếu chúng khác loại thì gọi

là không cùng loại.

Chuyên tiếp dị tinh thể c ó phạm vi ứng dụng ngày càng rộng rãi trên rất nhiều linh kiện,

c h ắ n g hạn như đ ể c h ế tạo l a s e r phun, điốt phát quan g, thu và phát hiện c á c tia s á n g quang

h ọc, pin mặt trời Hơn nữa, nếu chổng liên tiếp nhiều lớp chuyển tiếp dị linh thể có độ dày cỡ ỈOOA^\ ta sẽ thu được một cấu trúc tinh thể mới gọi là siê u nỉỢỊìịỊ.

Đ c thu được chuyển tiếp dị tinh thể, người ta nuôi một lớp bán dẫn thứ hai trên tinh thể

bán dăn 1 Cách làm này dưcK thực hiện với yêu cầu là hai tinh thể bán dẫn đă chọn lựa phải có

các thông số tinh thể và hệ s ố giăn nở nhiệt gần nhau, vì việc nuôi đơn tinh thể êpitảcxi được thực hiện ở nhiệt độ cao Một số lớn ỉinhthể, đặc biệt là đối với gécmani, ácsênic gali thì điều kiộn đó luôn được thực hiện Thực vậy tất cả các tinh ihể trên đều có cùng cấu trúc : kim cương- kẽm Các thông số của ô mạng 5,658 A**-5,654A“ (sai số ô mạng cỡ 0,8%) Hệ số giãn nở nhiệt

5 ,8 1 0 *^ và 5,8.10**^ Nhũng năm gần đây, công nghệ cho phép tạo những lớp chuyển tiếp đị tinh

ihể khi sai lệch ô mạng cỡ vài % mà không gây ra lệch mạng ngay khi lớp chuyển tiếp rất mảnh

Trong trường hợp này, sự không phù hợp về ô mạng tinh thể được tính đến nhờ điéu kiện lưỡng trục của lớp chuyển tiếp trong mặt phẳng cùa nó Các cấu trúc gần vói dạng vô định hình như

GaAs/GalnAs, gaAs/GalnAs/GaAs, AlInAs/GaAs c ó thể được ch ế tạo với cấu ưúc tinh thể rất tốt.

< t

Bới vì mỏi chất bán dẫn c ó thể hoặc là loại N hoặc là loại p, do vẠy c ó thể c ó 4 chuyển tiếp da tinh khá dĩ:

iiGe-pGaAs, pGe-nGaA s (cấu trúc ngược loại);

oGe-uG aAs, pGe-pGaAs (cấu trúc cùng loại) *

3.2 GIẢN ĐỔ VỪNG NẢNG LƯỢNG ở XA LỚP CHUYỂN TIỂP

Xét trường hợp nGe-pGaAs không có trạng thái dao diện (m ô hình A ndesson) Trong trường hợp này, ái lực điộn tử qXi của bán dẫn 1 (nGe) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm Eg2 của bán dẫn 2 (pGaAs) và Egi cũng nhỏ hơn Eg2- Giàn đổ năng lượng của cả hai bán dẫn này chỉ ra trên hình 3 la Khi chúng còn phân cách nhau, thì sự phân bố của điện tử trong mỗi bán dẫn

đ ộc lập vói nhau, nên vị trí mức Fermi trong hai bán dẫn không thẳng hàng.

39