Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p n và ứng dụng lớp chuyển tiếp p n trong kĩ thuật điện tử

đ-ợc năng l-ợng từ bên ngoài nhiệt độ hoặc ánh sáng hay một Građien nồng độ đủ lớn có thể tách khỏi mối liên kết trở thành điện tử tự do nhảy lên vùng dẫn, đồng thời tạo ra tại đấy một l

Tr-êng §¹i häc Vinh

Nghiªn cøu líp chuyÓn tiÕp p - n vµ øng

dông líp chuyÓn tiÕp p - n trong

kü thuËt ®iÖn tö

Kho¸ luËn tèt nghiÖp

====Vinh, 2006===

Tr-ờng Đại học Vinh

Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p - n và ứng

dụng lớp chuyển tiếp p - n trong

kỹ thuật điện tử

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành điện tử viễn thông

Giáo viên h-ớng dẫn: TS Nguyễn Hoa L- Sinh viên thực hiện: Hoàng Thị Th-ơng

====Vinh, 2006===

Mở đầu

Hiện nay các dụng cụ bán dẫn đang đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử So với các dụng cụ điện tử chân không (đèn điện tử) Dụng cụ bán dẫn có những -u điểm nổi bật: kích th-ớc, trọng l-ợng nhỏ nhẹ, độ tin cậy cao, tiêu thụ năng l-ợng ít, giá thành hạ

Cùng với sự phát triển của khoa học - công nghệ, dựa vào -u điểm nổi bật của điốt bán dẫn đã nghiên cứu các chất bán dẫn Gecmani và Silic Nhờ

đó, năm1948 hai nhà khoa học là Johr Badeen và Waler Brattain đã tìm ra hiệu ứng Tranzito Còn W.Shockley tìm ra lý thuyết về rào thế p - n và thuyết hoạt động của Tranzito Từ đó, đặt nền móng cho ngành khoa học - kỹ thuật mới, là ngành điện tử các dụng cụ bán dẫn, thay thế cho các dụng cụ chân không

Ngày nay thuật ngữ "dụng cụ bán dẫn" dùng để chỉ tất cả các dụng cụ

điện tử đ-ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Ví dụ nh- Tranzito, điốt bán dẫn, Tranzito hiệu ứng tr-ờng , Tranzito một chuyển tiếp, varisto, varicap, laser bán dẫn Trên cơ sở đó, có thể vận dụng để chế tạo các dụng cụ khác nh- điện trở, điện dung, dây dẫn Có kích th-ớc nhỏ đ-ợc ứng dụng trong mạch tổ hợp hay mạch IC

Qua đó cho thấy các linh kiện điện tử đ-ợc thiết kế - chế tạo trên cơ sở hiệu ứng vật lý của lớp chuyển tiếp p - n Vì thế, trong đề tài này, ta đi

"Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p - n và ứng dụng chuyển tiếp p - n trong kỹ thuật điện tử"

Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp, đề tài này tập trung nghiên cứu cơ sở vật lý hình thành lớp chuyển tiếp p - n và ứng dụng nó trong

kỹ thuật điện tử Ngoài phần mở đầu, kết luận thì luận văn đ-ợc trình bày trong 3 ch-ơng:

Ch-ơng I: Cơ sở vật lý bán dẫn

Ch-ơng II: Chuyển tiếp p - n

Ch-ơng III: Một số ứng dụng của lớp chuyển tiếp p - n

Đề trình bày đề tài nghiên cứu này cho chặt chẽ và súc tích là một việc khó tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi mong nhận đ-ợc nhiều ý kiến đóng góp, chỉ đạo của các thầy, cô giáo cùng các bạn sinh viên để nội dung luân văn

đ-ợc hoàn thiện hơn

Tôi bày tỏ lòng cảm ơn tới Ban chủ nhiệm khoa Vật lý cùng các thầy, cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Hoa L- - ng-ời đã tận tình h-ớng dẫn và giúp đỡ cả về kiến thức - ph-ơng pháp để tôi thực hiện tốt khoá luận này

Vinh, tháng 05 năm 2006

Sinh viên

Hoàng Thị Th-ơng

Ch-ơng I Cơ sở vật lý bán dẫn

Vật lý bán dẫn nghiên cứu các hiện t-ợng vật lý xảy ra trong bán dẫn khi có dòng điện chạy qua D-ới các điều kiện khác nhau, các hiệu ứng vật lý xảy ra trong chất bán dẫn khác nhau ứng dụng các hiệu ứng này vào chế tạo các dụng cụ bán dẫn trong kỹ thuật điện tử

Dụng cụ bán dẫn đ-ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện nhất định nó trở thành dẫn điện, ở điều kiện khác lại là cách

điện Về đặc tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn có điện trở suất nhỏ hơn vật liệu cách điện (điện môi) Nh-ng lại lớn hơn vật liệu dẫn điện (kim loại) Đặc

điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng Mỗi một loại vật liệu bán dẫn đều có một nhiệt độ giới hạn ở nhiệt độ thấp hơn,

điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hay hợp chất của hai hay nhiều nguyên tố Nói chung vật liêu bán dẫn là vật rắn kết tinh, có cấu trúc mạng tinh thể

1.1 Lý thuyết vùng năng l-ợng của chất rắn

Ta biết rằng chất rắn là chất bán dẫn có độ dẫn điện của một điện môi

lý t-ởng ở 0K, nh-ng lại có khả năng dẫn điện ở nhiệt độ phòng Thật vậy,

điện trở suất của chất bán dẫn Silic siêu tinh khiết là 2.105 cm Trong lúc đó thì của bán dẫn đồng là 1,6.10-6.cm và của mica là 1017.cm Để giải thích

đặc điểm này, ta dựa vào lý thuyết vùng năng l-ợng nh- sau:

Đối với một nguyên tử đứng cô lập thì cấu trúc năng l-ợng có dạng là các mức rời rạc Khi đ-a các nguyên tử xích lại gần nhau Do t-ơng tác, các mức này bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau đ-ợc gọi là các vùng năng l-ợng Tuỳ theo tình trạng các mức năng l-ợng trong một vùng có

bị điện tử chiếm chỗ hay không, ng-ời ta phân biệt ba loại vùng năng l-ợng khác nhau:

Vùng dẫn (vùng trống) nằm ở phía trên cùng, trong đó các mức năng l-ợng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần, các điện tử định xứ ở

đây là các điện tử tự do, chúng có thể tham gia trong các quá trình tải điện

Vùng cấm nằm sát d-ới vùng dẫn mà trong đó không tồn tại các mức năng l-ợng nào để điện tử có thể chiếm chổ Độ rộng của vùng cấm sẽ xác

định năng l-ợng cần thiết để điện tử bứt khỏi các liên kết hoá học và tham gia vào quá trình tải điện Độ rộng của vùng cấm càng lớn thì độ dẫn điện càng kém

Vùng hoá trị (vùng đầy) sát ngay d-ới vùng cấm, trong đó tất cả các mức năng l-ợng đều đã bị chiếm chỗ, không còn mức năng l-ợng tự do

Nh- thấy trên hình 1.2 giản đồ vùng năng l-ợng của kim loại ở đây không có vùng cấm ngăn cách giữa vùng dẫn và vùng hoá trị Cho nên điện tử

có thể chuyển từ mức cao nhất đến mức cao hơn nữa mà không cần năng l-ợng kích thích thì các điện tử đã nằm ở vùng dẫn rồi Vì vậy, mà các kim loại dẫn điện rất tốt Trong kỹ thuật vi điện tử ng-ời ta th-ờng dùng kim loại làm dây dẫn điện

1.1.2 Chất điện môi (chất cách điện)

Đối với chất điện môi thì các điện tử hoá trị tạo ra những liên kết chặt giữa các nguyên tử cạnh nhau Các cặp liên kết này rất khó bị phá vỡ Bởi vậy,

mà chúng không phải các điện tử tự do để sẵn sàng dẫn điện Theo quan điểm của lý thuyết vùng năng l-ợng thì tồn tại một vùng cấm đủ lớn giữa vùng hoá trị và vùng dẫn

Trên hình 1.3 ta thấy tất cả các mức năng l-ợng trong vùng hoá trị đều

bị chiếm bởi các điện tử Còn các mức năng l-ợng trên vùng dẫn bị trống do

Vùng dẫn Vùng hoá trị

điện tr-ờng ngoài yếu nên không thể chuyển các điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn đ-ợc Đồng thời không thể truyền hết năng l-ợng cho các điện tử

Do đó, chất điện môi trong tr-ờng hợp này không tham gia vào quá trình dẫn

điện Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử ng-ời ta th-ờng dùng điện môi làm chất cách điện

1.1.3 Chất bán dẫn

Tr-ờng hợp chất bán dẫn thì liên kết giữa các nguyên tử cạnh nhau không quá chặt Bởi vậy, d-ới tác dụng của điện tr-ờng ngoài hay là sự tăng nhiệt độ, một số liên kết bị phá vỡ trên 0K Và khi một liên kết bị phá vỡ thì một điện tử tự do tạo thành, nó có khả năng tham gia dẫn điện Ng-ời ta gọi các điện tử này là các điện tử dẫn

Từ hình 1.4 cấu trúc vùng năng l-ợng của chất bán dẫn ta thấy: Khi liên kết bị phá vỡ thì một điện tử đ-ợc giải phóng và nó để lại một vị trí đó một lỗ trống Các điện tử hoá trị khác ở lân cận có thể nhảy vào chiếm chỗ lỗ trống này và tham gia vào sự dẫn điện

Trên hình 1.3 và 1.4 thì cấu trúc vùng năng l-ợng của bán dẫn và điện môi ở nhiệt độ 0K có dạng giống nhau Vùng hoá trị của chúng bị chiếm đầy hoàn toàn, vùng dẫn bỏ trống hoàn toàn Giữa hai vùng tồn tại một vùng cấm

Sự khác nhau giữa bán dẫn và điện môi ở chỗ độ rộng vùng cấm của bán dẫn nhỏ hơn của điện môi (th-ờng các vật liệu bán dẫn có đội rộng vùng cấm nhỏ hơn 2ev)

Bán dẫn thuần hay bán dẫn sạch là loại bán dẫn hoàn toàn không có nguyên tử lạ Nói cách khác bán dẫn thuần là loại bán dẫn không pha tạp chất

Đối với bán dẫn thuần, ở nhiệt độ lớn hơn 0K do thu nhận đ-ợc năng l-ợng nhiệt, một số điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử

tự do, sẵn sàng tham gia dẫn điện Khi ấy, trong vùng hoá trị do thiếu hụt điện

tử nên xuất hiện các mức năng l-ợng bỏ trống Điều này cũng đ-a tới sự dẫn

điện trong vùng hoá trị Những điểm thiếu hụt điện tử trong vùng hoá trị có thể xem nh- tại ấy tồn tại điện tích d-ơng còn gọi là lỗ trống Sự dẫn điện trong vùng hoá trị do các lỗ trống gây ra Trong bán dẫn thuần, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện Điện tử và lỗ trống đ-ợc gọi chung

là hạt dẫn Do đó, nồng độ điện tử và lỗ trống trong bán dân thuần bằng nhau, ng-ời ta ký hiệu nộng độ các điện tử là n, còn nồng độ lỗ trống là p, nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn thuần là ni

ở đây ta có thể xét hai bán dẫn thuần điển hình là Gecmani và Silic thuộc nhóm IV bảng tuần hoàn Mendeleep

Trên hình 1.5 trình bày giản đồ mạng một chiều của bán dẫn Gecmani thuần (Silic cũng có dạng t-ơng tự) Có thể tóm tắt mô tả cấu tạo của nó nh- sau: Mỗi nguyên tử có bốn điện tử hoá trị góp chung với bốn nguyên tử bên cạch để tạo thành mối liên kết đồng hoá trị Lực liên kết tác dụng lên các điện

tử hoá trị t-ơng đối lớn Trong tr-ờng hợp này, nếu các điện tử hoá trị nhận

Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị

đ-ợc năng l-ợng từ bên ngoài (nhiệt độ hoặc ánh sáng) hay một Građien nồng

độ đủ lớn có thể tách khỏi mối liên kết trở thành điện tử tự do nhảy lên vùng

dẫn, đồng thời tạo ra tại đấy một lỗ trống trong vùng hoá trị Quá trình này gọi

là quá trình phát xạ cặp điện tử - lỗ trống Nh- vậy, trong bán dẫn thuần các

hạt dẫn đ-ợc tạo ra chủ yếu bởi quá trình hình thành cặp điện tử - lỗ trống

1.3 Chất bán dẫn loại n

Nếu nh- ở một vị trí nào đó của nút mạng tinh thể Gecmani thuần, ta

thay vào đó bằng nguyên tử nguyên tố nhóm V Chẳng hạn nh- Phốtpho, hoặc

As, Sb, thì khi ấy bốn điện tử hoá trị của nguyên tử Phốtpho đủ điền vào các

mối liên kết với mạng Gecmani, còn điện tử hoá trị thứ 5 của Phốtpho không

tham gia vào liên kết mạng Nó trở thành điện tử tự do Hiện t-ợng này đ-ợc

minh hoạ trên hình vẽ 1.7

Những tạp chất thuộc nhóm V kể trên đ-ợc gọi là donor hay tạp chất

cho điện tử Khi pha các tạp chất này vào bán dẫn chúng bị ion hoá trở thành

những ion d-ơng và cho những điện tử tự do Bán dẫn đ-ợc pha tạp chất donor

gọi là bán dẫn loại n Số l-ợng điện tử tự do bán dẫn loại n nhiều hơn hẳn số

lỗ trống, bởi vậy, trong tr-ờng hợp này gọi điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là

hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện trong bán dẫn loại n do điện tử quyết định

Việc làm sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Gecmani thuần bằng tạp chất donor

t-ơng ứng với việc làm xuất hiện trong vùng cấm của bán dẫn này những mức năng l-ợng cục bộ nằm sát đáy vùng dẫn nh- hình 1.8 Những mức năng l-ợng này gọi là những mức donor Eđ Nh- thấy trên hình 1.8 khoảng cách từ

đáy vùng dẫn đến mức donor nhỏ hơn nhiều so với độ rộng vùng cấm Bởi vậy, năng l-ợng cần thiết để điện tử nhảy từ mức donor lên vùng dẫn (năng l-ơng ion hoá) nhỏ hơn nhiều lần so với năng l-ợng cần thiết đ-a điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Điều này chứng tỏ trong bán dẫn loại n thành phần dòng điện chủ yếu là điện tử

1.4 Chất bán dẫn loại p

Nếu pha vào bán dẫn Gecmani thuần những tạp chất thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleep, ví dụ nh- In, Ga, B, Al Khi ấy do các tạp chất này chỉ có hoá trị III cho nên để tạo thành mối liên kết với mạng Gecmani chúng phải lấy một điện tử hoá trị của mối liên kết khác trong mạng để điền vào cho

đủ Kết quả dẫn tới là trong mạng tinh thể xuất hiện những điểm tích điện d-ơng Những điểm tích điện d-ơng này có thể thay đổi vị trí t-ơng đối của chúng Nh- trên đã nói đó chính là những lỗ trống Hiện t-ợng này đ-ợc minh hoạ trên hình vẽ 1.9

Các tạp chất thuộc nhóm III này gọi là các acxepto (tạp chất bắt điện tử) Khi pha các acxepto vào bán dẫn, chúng bị ion hoá trở thành những ion

âm và làm xuất hiện trong tinh thể bán dẫn những lỗ trống Bán dẫn đ-ợc pha tạp chất acxepto, gọi là bán dẫn loại p Trong bán dẫn loại p nh- đã phân tích,

W

Vùng hoá trị

Hình 1.9 Giản đồ mạng tinh thể

Ge pha tạp chất nhóm III (In)

1 Acxepto bị ion hoá

2 Lỗ trốngtrong vùng hoá trị

Hình 1.10 Giản đồ vùng năng l-ợng bán dẫn loại p với mức

Acxepto

số l-ợng lỗ trống nhiều hơn rất nhiều so với điện tử Bởi vậy, trong bán dẫn này lỗ trống là hạt dẫn đa số còn điện tử là hạt dẫn thiểu số Hay nồng độ của

lỗ trống lớn hơn nồng độ của điện tử Vậy tính dẫn điện của bán dẫn loại p do

1.5 Nồng độ hạt dẫn và vị trí mức Fecmi trong bán dẫn

Đặc tính điện của bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tích điện trong bán dẫn, nói cụ thể hơn phụ thuộc nhiều vào nồng độ các hạt dẫn Để giải thích đ-ợc các đặc tính điện của bán dẫn cần phải biết nồng độ các hạt dẫn và những yếu tố chi phối sự di chuyển các hạt dẫn trong bán dẫn

Khác với trong chân không, trong mạng bán dẫn, điện tử chỉ chiếm những mức năng l-ợng nhất định: quan hệ năng l-ợng của điện tử trong mạng tinh thể th-ờng đ-ợc mô tả bằng giản đồ vùng năng l-ợng Nếu bán dẫn có cả donor và acxepto, giản đồ vùng năng l-ợng đ-ợc biểu diễn nh- hình 1.11

Theo lý thuyết thống kê Fecmi - Dirắc, xác suất để điện tử trong bán

dẫn chiếm mức năng l-ợng E

f(E) =

kT

EEexp1

Đ-a vào khái niệm mức năng l-ợng Fecmi có ý nghĩa quan trọng đặc

biệt trong lý thuyết bán dẫn Từ ( 1 1 ) ta thấy ngay mức năng l-ợng Fecmi

chính là mức năng l-ợng tại đó xác suất điện tử chiếm chỗ là 1/2 Nếu xét sự

phân bố điện tử ở độ 0 tuyết đối (T = 0K), các mức năng l-ợng E < EF bị

chiếm đầy hoàn toàn (xác suất bằng 1), còn các mức năng l-ợng E > EF bị bỏ

trống hoàn toàn (xác suất bằng 0) ở nhiệt độ T > 0K, xác suất chiếm chỗ của

điện tử giảm dần từ mức năng l-ợng thấp đến mức năng l-ợng cao Điều này

minh hoạ trên hình 1.12

Nếu f(E) là xác suất điện tử chiếm mức năng l-ợng E thì xác suất để lỗ

trống chiếm mức năng l-ợng ấy là [1 - f(E)]

Để tính nồng độ hạt dẫn trong vùng dẫn và vùng hoá trị, ngoài hàm xác

suất ra còn phải biết nồng độ phân bố các trạng thái năng l-ợng

Ng-ời ta đã chứng minh rằng, ở miền gần đáy vùng dẫn và vùng hoá trị (E  Ec), nồng độ trạng thái năng l-ợng đ-ợc xác định bằng biểu thức:

1

c 2

3

n

3 (2m ) (E E )h

3 (2m ) (E E)h

Hàm phân bố nồng độ điện tử trong vùng dẫn bằng tích số giữa hàm phân bố nồng độ trạng thái trong vùng dẫn và hàm xác suất điện tử chiếm các trạng thái năng l-ợng ấy Lấy tích phân hàm phân bố nồng độ này từ đáy vùng dẫn đến biên phía trên của nó sẽ đ-ợc nồng độ điện tử trong vùng dẫn:

2 n

h

kT.m2

T-ơng tự ta xác định nồng độ của lỗ trống trong vùng hoá trị:

2

* p

h

.kT.m2

Những bán dẫn thoả mãn điều kiện khi mức Fecmi di chuyển lại gần

đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hoá trị và cách chúng một khoảng 2kT gọi là bán dẫn không suy biến

Khi nhân hai vế của biểu thức (1.8) và (1.9) ta có:

Trong đó: Eg = EC - EV là độ rộng vùng cấm của bán dẫn

Từ biểu thức (1.10) rút ra kết luận: Tích số giữa nồng độ điện tử và nồng độ lỗ trống của bán dẫn không suy biến chỉ phụ thuộc vào độ rộng của vùng cấm và nhiệt độ, không phụ thuộc vào vị trí của mức Fecmi của bán dẫn Nghĩa là nó không phụ thuộc vào mức độ pha tạp của bán dẫn

Đối với bán dẫn pha tạp loại n thì nồng độ của điện tử lớn hơn nồng độ của lỗ trống nên sự phân bố điện tử trong vùng dẫn là lớn hơn Nên xác suất tìm thấy điện tử trong vùng hoá trị là lớn nhất Xác suất giảm khi mức năng l-ợng tăng lên Nên mức Fecmi dịch về phía vùng dẫn

T-ơng tự đối với bán dẫn loại p thì mức Fecmi sẽ dịch chuyển xuống phía d-ới vùng hoá trị và kết quả là nồng độ lỗ trống trong vùng hoá trị lớn nhiều so với nồng độ điện tử trong vùng dẫn

1.6 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn Điện trở suất

1.6.1 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn

Lấy mẫu bán dẫn loại n làm ví dụ Ta đi xét các trạng thái xảy ra trong mẫu bán dẫn này:

Bán dẫn loại n đang nằm ở trạng thái cân bằng có dạng:

Bây giờ ta đi phân cực cho mẫu bán dẫn loại n và mức năng l-ợng lúc này là:

Xét một điện tử chuyển động d-ới tác dụng của điện tr-ờng ngoài thì các điện tử đ-ợc tăng tốc trong vùng dẫn Và năng l-ợng tổng cộng của chúng hầu nh- giữ nguyên không đổi Bởi vậy, các điện tử có thể chuyển động tiếp tục theo quỹ đạo gần nh- nằm ngang trong giản đồ mức năng l-ợng hình

W

Hình 1.14

(a) Mẫu bán dẫn loại n nằm cân bằng

(b) Giản đồ năng l-ợng của bán dẫn loại

-

1.15b Trong quá trình chuyển động điện tử bị va chạm vào mạng tinh thể và các điện tử này mất một phần hoặc toàn bộ động năng của nó Động năng bị mất mát này đ-ợc truyền cho mạng tinh thể của chất bán dẫn và đ-ợc chuyển

đổi thành nhiệt năng Quá trình này đ-ợc tiếp diễn mãi nên chất bán dẫn loại n

đ-ợc đốt nóng

Còn đối với lỗ trống trong bán dẫn n thì tích điện d-ơng dịch chuyển d-ới tác dụng của điện tr-ờng theo chiều ng-ợc với chiều của điện tử Quá trình diễn ra của lỗ trống t-ơng tự nh- của điện tử cho đến khi chất bán dẫn cũng đ-ợc đốt nóng Vậy quá trình dẫn đ-ợc xảy ra liên tục trên giản đồ năng l-ợng đối với cả điện tử và lỗ trống Dòng điện chạy trong mẫu bán dẫn loại n

có chiều dài Ln và tiết diện ngang là Sn

n: độ linh động của điện tử

q: điện tích của điện tử

1.6.2 Điện trở suất của mẫu bán dẫn

Chúng ta biết rằng một khối bán dẫn nếu tạo ra ở hai đầu mút của nó những tiếp xúc om thì khối bán dẫn đó sẽ có một điện trở xác định Khi cho dòng điện chạy qua, trên điện trở bán dẫn này sẽ có một sụt áp Vật liệu dùng làm điện trở ở đây có thể là bán dẫn loại n hoặc loại p Giá trị điện trở của mẫu bán dẫn này đ-ợc xác định bằng điện trở suất, độ dài và diện tích tiết diện ngang của bán dẫn:

Trong tr-ờng hợp tổng quát mà bán dẫn tồn tại cả hai hạt dẫn điện là

điện tử và lỗ trống thì điện trở suất của mẫu bán dẫn sẽ là:

do vậy điện trở suất sẽ giảm Chất bán dẫn pha tạp càng nhiều thì điện trở suất của nó sẽ càng giảm Tuy nhiên độ linh động lại giảm khi mật độ nguyên tử tạp chất tăng Do vậy cơ chế dẫn điện trong loại bán dẫn pha tạp mạnh

Ch-ơng II Chuyển tiếp p - n

Chuyển tiếp p - n là cơ sở để thiết kế và chế tạo một lớp rất rộng các dụng cụ bán dẫn của nhiều linh kiện điện tử, dùng để tạo và khuếch đại các tín hiệu Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc với nhau thì tại đó hình thành lớp chuyển tiếp p - n Hiện nay chủ yếu ng-ời ta sử dụng chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm Đặc điểm quan trọng của lớp chuyển tiếp p - n là tính chỉnh l-u của nó Tức nó chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều Vậy chuyển tiếp p - n là lớp chuyển tiếp tạo thành khi cho bán dẫn loại p tiếp xúc với bán dẫn loại n bằng biện pháp công nghệ đặe biệt (plana khuếch tán - epitaxi) Nghiên cứu nắm vững các đặc tính của chuyển tiếp p - n là điều rất cần thiết để hiểu nguyên lý làm việc của dụng cụ bán dẫn Sau đây là mẫu tiếp xúc của chuyển tiếp p -n tạo ra lớp chuyển tiếp giữa chúng:

2.1 Chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng

Chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp p -n ch-a có điện

áp bên ngoài đặt vào Trong phần này sẽ nghiên cứu các đặc tính của chúng

2.1.1 Sự hình thành miền điện tích không gian

Nh- trong ch-ơng I đã trình bày, trong bán dẫn loại p lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số Ng-ợc lại trong bán dẫn loại n, điện tử lại là hạt dẫn đa số còn lỗ trống là hạt dẫn thiểu số Khi cho hai bán dẫn này tiếp xúc với nhau, tại bề mặt tiếp xúc lỗ trống sẽ khuếch tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n, ng-ợc lại điện tử khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p (do có sự chênh lệch về nồng độ) Kết quả dẫn tới là phía bán dẫn p tại gần bề mặt tiếp

Hình 2.1 Mô hình cấu tạo của chuyển tiếp p - n

Lớp chuyển tiếp p - n

n

p

xúc sẽ còn lại những ion âm của các nguyên tử acxepto đã bị ion hoá và phía bán dẫn n tại gần bề mặt tiếp xúc còn lại các ion d-ơng của các donor đã bị ion hoá Với điều kiện lúc đầu thì trong bán dẫn p cũng nh- n đều trung hoà

về điện - có bao nhiêu nguyên tử tạp chất ion hoá có bấy nhiêu hạt dẫn đa số Nh- vậy, do sự khuếch tán các hạt đa số, mà tại miền lân cận mặt tiếp xúc mất

đặc tính trung hoà điện tích: Phía bán dẫn n tích điện d-ơng, phía bán dẫn p tích điện âm Nói một cách khác, ở đây hình thành một điện tr-ờng Et gọi là nội tr-ờng hay điện tr-ờng trong có chiều h-ớng từ n sang p Rõ ràng điện tr-ờng này chống lại sự di chuyển của các hạt dẫn đa số Nh-ng tr-ờng này lại cuốn điện tử từ bán dẫn p sang bán dẫn n và lỗ trống từ bán dẫn n sang bán dẫn p, nghĩa là tr-ờng này làm tăng c-ờng sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số

Sự khuếch tán các hạt đa số xẩy ra càng mãnh liệt vùng điện tích âm, d-ơng ở hai phía bán dẫn p, bán dẫn n càng rộng ra, do đó c-ờng độ nội tr-ờng Et tăng lên, làm cho dòng khuếch tán các hạt đa số ngày một giảm đi còn dòng cuốn các hạt thiểu số tăng lên Cho tới khi dòng khuếch tán các hạt

đa số bằng dòng cuốn các hạt thiểu số Hay là có bao nhiêu hạt dẫn đ-a từ bán dẫn p sang bán dẫn n thì có bấy nhiêu hạt dẫn đ-ợc đ-a từ bán dẫn n trở lại bán dẫn p Khi ấy chuyển tiếp p - n đạt tới trạng thái cân bằng Rõ ràng trạng thái cân bằng ở đây là trạng thái cân bằng động ở trạng thái cân bằng, số ion

âm nằm bên bờ mặt tiếp xúc về phía bán dẫn p và số ion d-ơng nằm bên bờ mặt tiếp xúc về phía bán dẫn n bằng nhau và không đổi, do đó, c-ờng độ nội tr-ờng Et cũng đạt tới giá trị xác định Miền chứa các ion âm và d-ơng ở trên hầu nh- không có hạt dẫn cho nên gọi đó là miền địên tích không gian hay miền nghèo Khoảng cách từ bờ miền điện tích không gian phía bán dẫn p sang bờ miền điện tích không gian phía bán dẫn n gọi là độ rộng miền điện tích không gian (Xm) Khi đạt tới trạng thái cân bằng độ rộng miền điện tích không gian cũng xác định D-ới đây trình bày hình ảnh miền điện tích không gian trong chuyển tiếp p - n

Để tạo ra các chuyển tiếp p - n trên thực tế không thể lấy hai phiến bán dẫn p và n ghép với nhau một cách đơn giản, mà bằng các biện pháp công nghệ khác nhau tiến hành pha các tạp chất, để bán dẫn đang từ loại n sang loại

p hoặc ng-ợc lại Tại nơi chuyển tiếp, đặc tính dẫn điện này hình thành chuyển tiếp p - n Rõ ràng, trong thực tế sự phân biệt bán dẫn p và n không dứt khoát nh- tr-ờng hợp lý t-ởng đã trình bày trên hình 2.2 mà là sự quá độ từ bán dẫn p sang bán dẫn n và ng-ợc lại Mặt tiếp xúc ở đây chỉ nơi nồng độ donor và acxepto bằng nhau Cũng chính vì những lý do nêu trên mà không gọi hiện t-ợng này là tiếp xúc p - n hoặc tiếp giáp p - n Gọi nó là chuyển tiếp

p - n có lẽ phản ánh đúng bản chất vấn đề hơn

Tuỳ theo sự phân bố tạp chất tại miền gần bề mặt tiếp xúc ng-ời ta chia chuyển tiếp p - n thành hai loại: Nếu sự biến đổi nồng độ tạp chất tại bề mặt tiếp xúc xảy ra đột ngột, gọi đó là chuyển tiếp nhảy bậc; nếu sự biến đổi nồng

độ tạp chất xảy ra từ từ, gọi đó là chuyển tiếp tuyến tính Dạng điển hình của

sự phân bố tạp chất hai loại chuyển tiếp trên trình bày nh- hình 2.4 và 2.5

Hình 2.2 Miền điện tích không

gian trong chuyển tiếp p - n

Hình 2.3 Sự phân bố tạp chất trong chuyển tiếp p - n nhảy bậc

Trong đó, c-ờng độ điện tr-ờng E = Et

Dp, Dn: hệ số khuếch tán và hệ số cuốn của hạt dẫn

2.1.2 Điện tr-ờng và độ rộng miền điện tích không gian

Đại l-ợng đặc tr-ng cho miền điện tích không gian là c-ờng độ nội tr-ờng Et và độ rộng miền điện tích không gian Xm Sau đây sẽ sơ l-ợc phân tích hai đại l-ợng này

Hình 2.4 Sự phân bố tạp chất

trong chuyển tiếp p - n tuyến tính

Hình 2.5 Miền điện tích không gian của chuyển tiếp p - n nhảy bậc

Xét chuyển tiếp p - n nhảy bậc hình 2.3 Trong miền điện tích không gian của chuyển tiếp p - n thực tế vẫn còn các hạt dẫn, nh-ng rất ít so với nồng

độ ion âm và ion d-ơng Nên khi tính toán chỉ cần tính gần đúng khi cho miền

điện tích không gian chỉ có các ion âm và d-ơng do acxepto và donor ion hoá tạo thành Miền điện tích không gian của chuyển tiếp p - n nhảy bậc đ-ợc minh hoạ nh- hình 2.5

Nếu trong miền n của chuyển tiếp p - n chỉ có các tạp chất donor với nồng độ Nd, trong miền p chỉ có acxepto với nồng độ Na, kể từ mặt tiếp xúc, miền điện tích không gian ăn sâu về phía p là xp, về phía n là xn, gọi thiết diện của chuyển tiếp p - n là S Căn cứ vào nguyên lý trung hoà điện tích và định luật Gauxơ, có thể viết:

p

n

N

N x

Vậy, các điện tích âm và d-ơng của chuyển tiếp p - n chỉ phân bố trong một thể tích nhất định, do đó các đ-ờng sức sẽ không đi suốt cả bề rộng miền

điện tích không gian Hay c-ờng độ điện tr-ờng trong tr-ờng hợp này sẽ không giống nhau tại các vị trí khác nhau trong miền điện tích không gian C-ờng độ điện tr-ờng có giá trị lớn nhất tại mặt tiếp xúc, vì tất cả các đ-ờng sức xuất phát từ các điện tích d-ơng bên bán dẫn n đi đến các điện tích âm bên bán dẫn p đều phải qua bề mặt tiếp xúc này C-ờng độ điện tr-ờng sẽ giảm dần về hai phía cho đến biên miền điện tích không gian ở bán dẫn p

cũng nh- ở bán dẫn n thì bằng không Vì tại đây không có đ-ờng sức đi qua Hình ảnh này đ-ợc trình bày trên hình (2.6)

Nếu sự phân bố nồng độ tạp chất đồng đều tại mọi điểm trên bề mặt song song với mặt chuyển tiếp, c-ờng độ điện tr-ờng sẽ không đổi

Vậy sự phân bố điện tr-ờng trong miền điện tích không gian của chuyển tiếp p - n Biết rằng mỗi culông điện tích sẽ phát ra số đ-ờng sức là

36.1011 Do đó, c-ờng độ điện tr-ờng cực đại tại mặt tiếp xúc trong miền

điện tích không gian tính đ-ợc:

EM =

ε

π ε

.S

.S q.x N 10

(2.7) Với ( Na.q.xp.S) là tổng số điện tích âm Hình ảnh này đ-ợc trình bày trên hình (2.7) Vị trí mặt tiếp xúc lấy làm gốc toạ độ

Bằng cách lý luận t-ơng tự có thể tính đ-ợc c-ờng độ điện tr-ờng tại bất kỳ điểm nào trong miền điện tích không gian

Trong các dụng cụ bán dẫn hiện nay các chuyển tiếp p - n đ-ợc chế tạo bằng ph-ơng pháp khuếch tán hoặc ph-ơng pháp cấy ion, cho nên sự phân bố tạp chất tại chuyển tiếp p - n không phải là nhảy bậc mà là biến đổi từ từ Tuỳ theo các điều kiện công nghệ mà sự phân bố này có thể đ-ợc mô tả bằng những hàm số khác nhau

Hình 2.6 Sự phân bố đ-ờng sức

trong miền điện tích không gian

Hình 2.7 Vị trí điện tr-ờng cực đại trong miền điện tích không gian

2.1.3 Phân bố nồng độ hạt dẫn của chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng

Trong ch-ơng I đã chứng minh, vị trí mức Fecmi trong bán dẫn loại n nằm phía trên mức EF gần về phía đáy vùng dẫn, còn trong bán dẫn loại p lại nằm ở phía d-ới mức E Figần đỉnh vùng hoá trị (hình 2.8.a) Khi hai bán dẫn p

và n tiếp xúc với nhau, vị trí mức Fecmi trong bán dẫn sẽ nh- thế nào? Sau

đây sẽ nghiên cứu vấn đề này Chúng ta biết dòng điện tử qua chuyển tiếp p -

n đ-ợc xác định bằng biểu thức (2.1), theo Anhxtanh ta có:

Jn= q.n.n[ E + (lnn)

dx

d.q

dV(x)q

Căn cứ vào chứng minh trên có thể vẽ giản đồ vùng năng l-ợng của chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng nh- hình (2.8.b) Trong đó EF là mức

Fecmi thống nhất cho cả ba miền Xét một cách t-ơng đối, giản đồ vùng năng l-ợng miền p đ-ợc nâng cao hơn miền n một l-ợng nhất định Điều này phù hợp với ý nghĩa vật lý: Trong miền điện tích không gian tồn tại điện tr-ờng h-ớng từ bán dẫn n sang bán dẫn p

Đồ thị vẽ theo thế năng của điện tử, thế năng tĩnh của điện tử ở miền n thấp hơn Giản đồ vùng năng l-ợng trong miền điện tích không gian bị uốn cong, điều này phản ánh sự thay đổi thế năng của điện tử Nếu điện tử muốn đi

từ bán dẫn n sang bán dẫn p hoặc lỗ trống muốn đi từ bán dẫn p sang bán dẫn

n đều phải v-ợt qua chiều cao độ uốn mức năng l-ợng ở trên Độ uốn mức năng l-ợng càng cao, rào thế càng cao, các hạt dẫn đa số muốn v-ợt qua cần

có một năng l-ợng đủ lớn

Từ hình (2.8.b) thấy rằng độ cao của rào thế bằng hiệu của hai mức Fecmi ở miền n và miền p:

n

.N N ln q

kT

(2.16) Trong đó Na, Nd là nồng độ tạp chất trong n và p Còn ni là nồng độ hạt dẫn của bán dẫn thuần Vậy, từ biểu thức (2.16) cho thấy thế hiệu tiếp xúc phụ thuộc vào: tỷ lệ thuận với nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, tỷ lệ nghịch với nồng độ hạt dẫn của bán dẫn thuần tr-ớc khi pha tạp Đồ thị biến thiên của hiệu thế tiếp xúc biểu diễn trên hình (2.8.c)

Nh- trên phân tích cho thấy sự phân bố các hạt dẫn trong miền điện tích không gian đều theo hàm số mũ cho nên nồng độ của chúng giảm đi rất nhanh khi vào miền điện tích không gian

2.2 Chuyển tiếp p - n ở trạng thái không cân bằng

Chuyển tiếp p - n ở trạng thái không cân bằng còn gọi là chuyển tiếp p -

n đ-ợc phân cực là chuyển tiếp p - n có điện áp bên ngoài đặt vào Khi đặt

điện áp bên ngoài vào chuyển tiếp p - n có thể xảy ra hai tr-ờng hợp:

Nếu điện áp đặt vào bán dẫn p là điện cực d-ơng, còn điện cực âm dặt vào bán dẫn n, gọi đó là phân cực thuận Nếu điện áp dặt vào có cực tính ng-ợc lại, cực d-ơng vào bán dẫn n cực âm vào bán dẫn p, gọi tr-ờng hợp này

2.2.1 Đặc tính chuyển tiếp p - n phân cực thuận

Chuyển tiếp p - n phân cực thuận có dạng nh- hình (2.10)

Trên hình 2.10, chiều của điện tr-ờng bên ngoài và nội tr-ờng ng-ợc nhau Kết quả là trạng thái cân bằng ban đầu bị phá vỡ Điện tr-ờng của miền

điện tích không gian giảm nhỏ Thành phần dòng khuếch tán qua chuyển tiếp

p - n lớn hơn thành phần dòng cuốn Nếu xét về độ rộng của miền điện tích không gian, một cách định tính thì lý luận nh- sau:

Do điện cực của điện áp bên ngoài đặt vào nh- hình (2.10), các lỗ trống trong bán dẫn p và điện tử trong bán dẫn n bị đẩy về phía miền điện tích không gian, trung hoà với các ion âm và ion d-ơng của miền này, do đó nó làm cho độ rộng của miền này bị hẹp lại Điện áp thuận càng lớn, số hạt dẫn

đa số bị đẩy về phía miền điện tích không gian càng nhiều và độ rộng càng giảm nhỏ Rõ ràng độ rộng miền điện tích không gian giảm nhỏ ứng với số

điện tích tại vùng này giảm, nên điện tr-ờng của nó cũng giảm nhỏ so với lúc cân bằng

Giản đồ vùng năng l-ợng của vùng chuyển tiếp p - n phân cực thuận

đ-ợc trình bày trên hình 2.11 Do tác dụng của điện áp phân cực thuận, chiều cao rào thế giảm đi một l-ợng:

Trong đó, Ut là điện áp thuận

Sự khuếch tán các hạt dẫn qua chuyển tiếp p - n khi nó đ-ợc phân cực thuận còn gọi là hiệu ứng phun theo chiều thuận Các hạt dẫn đa số sau khi

Hình 2.11 Giản đồ vùng năng l-ợng chuyển tiếp p - n phân cực thuận

khuếch tán sang phía đối diện trở thành các hạt dẫn thiểu số trội Do hiệu ứng phun các hạt dẫn theo chiều thuận mà tại miền tiếp xúc có sự tích tụ các hạt dẫn trội thiểu số Tức lỗ trống ở bán dẫn n còn điện tử ở bán dẫn p Các hạt dẫn trội này đ-ợc khuếch tán dần vào bán dẫn và bị tái hợp ở một khoảng cách nhất định so với bờ miền điện tích không gian thì số hạt dẫn trội này

đ-ợc tái hợp hết Nồng độ các hạt dẫn tại đây lại bằng nồng độ của nó lúc cân bằng Khoảng cách này chính là đoạn khuếch tán của hạt dẫn trội Trên hình 2.11 thì: (x'p - xp) là đoạn khuếch tán của điện tử; đoạn (x'n - xn) là đoạn khuếch tán của lỗ trống; còn đoạn (xn - xp) là độ rộng của miền điện tích không gian Mức Fecmi giữa chúng là khác nhau do hiện t-ợng tích tụ và khuếch tán của các hạt dẫn trong miền điện tích không gian, nồng độ của chúng khác nhau, nên chúng không thể cùng mức Fecmi Vậy nồng độ hạt dẫn trong miền này dựa vào mức chuẩn Fecmi điện tử (E F n) và lỗ trống (E Fp) của hai miền khuếch tán (x'p - xp) và (x'n - xn) ở đây mức Fecmi của lỗ trống (E Fp) gần giống mức Fecmi (E F n) của điện tử Vì lúc này lỗ trống là hạt dẫn

đa số, do nguyên lý trung hoà điện tích số điện tử phun từ miền bán dẫn n vào làm cho tại đây tạo ra một l-ợng lỗ trống và giống nh- nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại p cân bằng: p = n với n; p là số lỗ trống và điện tử trội phun

đến bờ miền xp' nên mức chuẩn Fecmi điện tử tăng dần từ điểm x'p đến xptrùng với mức (EFp) và (EF)n trong bán dẫn n Vậy tại đây bán dẫn đang quá

độ từ bán dẫn p sang n t-ơng tự đối với miền khuếch tán lỗ trống (x'n - xn) thì mức chuẩn Fecmi điện tử (EFn ) giống mức Fecmi (EF)n trong bán dẫn n cân

bằng Còn mức chuẩn Fecmi lỗ trống (EFp) lại biến đổi từ mức (EFn) tại x'n

đến mức (EF)p tại xn Nh- vậy, miền khuếch tán lỗ trống bán dẫn đang quá độ

từ bán dẫn n sang p Vì thế nồng độ hạt dẫn tại một điểm x bất kỳ trong miền

đ-ợc tính:

n(x) = niexp[

kT

(x)E

Fn 

p(x) = niexp[

kT

EE

p

2 i

Nồng độ lỗ trống tại điểm xn:

qU.exp)n(x

n

2 i

Nếu đặt np0 =

)p(x

n

p

2 i

; và pn0 =

)n(x

n

n

2 i

thì khi này np0 và

0

n

nồng độ các hạt dẫn thiểu số lúc cân bằng Hai biểu thức (2.26)và (2.27)

th-ờng gặp trong quá trình tính toán, chúng biểu thị mối quan hệ giữa nồng độ hạt dẫn thiểu số ở bờ miền điện tích không gian và nồng độ lúc cân bằng Vậy phân bố nồng độ các hạt dẫn trội trong miền khuếch tán của chúng nh- hình (2.12) sau, vùng gạch chéo chỉ nơi các hạt dẫn trội

xp

p

Sau khi biết sự phân bố các hạt dẫn trội trên ở hai bờ miền điện tích

và điện áp thuận Ut Trên hình 2.13 trình bày các thành phần dòng cơ bản qua chuyển tiếp p - n khi phân cực thuận Các đ-ờng đứt đoạn chỉ dòng khuếch tán của điện tử hoặc lỗ trống Các đ-ờng liền nét chỉ dòng cuốn các hạt dẫn trong

Hình 2.13 cho thấy, tại từng điểm trong chuyển tiếp p - n mật độ dòng

điện tử và lỗ trống không bằng nhau Nh-ng qua tất cả các tiết diện của chuyển tiếp thì tổng mật độ dòng điện tử - lỗ trống luôn luôn không đổi Chứng tỏ trong miền khuếch tán không làm cho dòng điện gián đoạn Qua cơ chế chuyển đổi thành phần hạt dẫn thấy rằng, chuyển tiếp p - n khi phân cực thuận sẽ có một dòng điện chảy, chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n, gọi đó là dòng thuận It đ-ợc xác định theo biểu thức:

It

.p p D

n L p

.n n

D q.A.

s

so

I gọi là dòng bão hòa(ý nghĩa của nó sẽ nói tới ở phần sau)

Đặc tuyến vôn - ampe của chyển tiếp p - n phân cực thuận trình bày ở hình 2.14 nh- sau:

Từ những phân tích trên có thể kết luận, dòng thuận It phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của bán dẫn pha tạp Khi Ut lớn hơn giá trị kT/q, dòng thuận

It sẽ tăng theo qui luật hàm mũ khi Ut tăng

Một tham số quan trọng của đặc tuyến vôn - ampe Chuyển tiếp p - n phân cực thuận là điện áp thông thuận UF bắt đầu từ giá trị này dòng thuận tăng lên đáng kể Về ý nghĩa vật lí, có thể xem giá trị của điện áp dòng thuận

UF gần bằng hiệu điện thế tiếp xúc, vì điện áp thuận lớn hơn giá trị này, dòng khuếch tán các hạt đa số chiếm -u thế và tăng lên Rõ ràng chuyển tiếp p - n làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau nên UF cũng khác nhau Đối với chuyển tiếp p - n silic UF < 1V đối với chuyển tiếp p - n gecmani UF < 0,5V