bài giảng điện tử công nghiệp, chương 4 docx

1
Vùng
d
ẫ
n
Vùng hóa t
r
ị
Chương 4: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ
2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N
2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp
ch
ấ
t
a - Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh t
h
ể
Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô
lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần
nhau, do tương tác, các mức này
b
ị
suy biến thành những dải
gốm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. Đây
là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh t
h
ể
.
Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có
b
ị

điện tử chiếm
ch
ỗ
hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau:
- Vùng hóa
tr
ị
(hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức
năng lượng đều
đ
ã
b
ị
chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức)
năng lượng tự do.
- Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn
bỏ trống hay
ch
ỉ
b
ị
chiếm chỗ một
ph
ầ
n
.
- Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để
điện tử có thể
chi
ế

m
chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0.
Tùy theo
v
ị
trí tương đổi giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo
tính chất dẫn
đ
i
ệ
n
của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được
chia thành 3 loại (xét ở 0
0
K) thể
hi
ệ
n
trên hình 2.1.
Vùng
d
ẫ
n
Vùng
d
ẫ
n
Vùng cấm
Eg
0 < Eg

≤
2eV
Vùng hóa
t
r
ị
a)
Vùng hóa t
r
ị
b) c)
2
Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng
l
ư
ợ
ng
al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg
≤
2eV;
c) Chất dẫn
đ
i
ệ
n
Chúng ta đã biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai
quá trình đồng t
h
ờ
i

: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được
kích thích năng lượng và quá trình
chuy
ể
n
động có hướng của
các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường. Dưới đây ta xét
tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần)
và chất bán dẫn t
ạ
p
chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan
tới quá trình sinh (tạo) các hạt dẫn tự do trong mạng tinh t
h
ể
.
3
b- Chất bán dẫn t
hu
ầ
n
Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và
Silicium (Si) có cấu trúc vùng năng lượng dạng hình 2.1b với Eg
= 0,72eV và Eg = 1,12eV, thuộc nhóm
b
ố
n
bảng tuần hoàn
Mendeleep. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng
có dạng hình 2.2a với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử

hóa
tr
ị
vành ngoài. Ở
0
K chúng là các chất cách điện. Khi được
một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion
hóa các nguyên tử nút mạng và sinh từng cặp hạt dẫn tự do:
điện t
ử
bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại 1
liên kết
b
ị
khuyết (lỗ t
r
ố
ng)
. Trên đồ
th
ị
vùng năng lượng như
hình 2.2b, điều này tương ứng với sự chuyển
đ
i
ệ
n
tử từ 1 mức
năng lượng trong vùng hóa
tr

ị
lên 1 mức trong vùng dẫn để lại 1
mức t
ự
do (trống) trong vùng hóa
tr
ị
.
Các cặp hạt dẫn tự do này,
dưới tác dụng của 1 t
r
ườ
ng
ngoài hay một Gradien nồng độ có
khả năng
d
ị
ch
chuyển có hướng trong lòng tinh t
h
ể
tạo nên dòng
điện trong chất bán dẫn t
hu
ầ
n
.
Si

Si

Si
V
ï
n
g
d
É
n
n
i
Si

Si
+
Si
1,12eV
Si
Si Si
p
i
V
ï
n
g
h
o
¸
t
r
Þ

a)
b)
Hình 2.2: a) Mạng tinh thể một chiều của Si. b) Cấu trúc
vùng năng l
ư
ợ
ng
Kết quả là:
1) Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có
năng lượng kích thích
đủ lớn E
kt
≥
E
g
4
2) Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần
tương đương nhau do qúa trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra
(ni = Pi).
c - Chất bán dẫn tạp chất loại n
Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5
bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất
nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng
độ
khoảng 10
10
đến
10
18
nguyên tử/cm

3
. Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một
điện t
ử
vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dạng
b
ị
ion hóa
nhờ một nguồn năng
l
ượ
ng
yếu tạo nên một cặp ion dương tạp
chất – điện tử tự do. Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt dẫn
giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xẩy ra nhưng với
mức
độ
yếu hơn. Trên đồ
th
ị
vùng năng lượng, các mức năng
lượng tạp chất loại này (gọi là
5
tạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên trong
vùng cấm, nằm sát
đ
áy
vùng dẫn ( khoảng cách vài % eV).
V
ï

ng
d
É
n
V
ï
ng d
É
n
⊕
⊕
Møc
t
¹
p
ch
Ê
t l
o
¹
i
n
Møc t
¹
p
ch
Ê
t l
o
¹

i p
−
−
V
ï
ng h
o
¸
tr
Þ
a)
V
ï
ng h
o
¸
tr
Þ
b)
Hình 2.3: Đồ
th
ị
vùng năng lượng a) bán dẫn loại n; b) bán
dẫn loại p
Kết quả là trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion dương của
tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai
thành phần không bằng nhau tạo ra:
đ
i
ệ

n
tử được gọi là loại hạt
dẫn đa số có nồng độ là n
n
, lỗ trống - loại thiểu số có nồng
độ
p
n
(chênh nhau nhiều cấp: n
n
>>p
n
).
d - Chất bán dân tạp chất loại p
Nếu tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm 3 bảng tuần hoàn
Mendeleep vào tinh thể chất bán dẫn thuần ta được chất bán dẫn
tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu là nguyên tử tạp chất thiếu
một điện tử vành ngoài nên liên kết hóa
tr
ị
(ghép đôi)
b
ị
khuyết, ta gọi đó là lỗ trống liên kết, có khả năng nhận điện tử,
khi nguyên tử tạp
ch
ấ
t
b
ị

ion hóa sẽ sinh ra đồng thời 1 cặp:
ion âm tạp chất - lỗ trống tự do. Mức
n
ă
ng
lượng tạp chất loại
p nằm trong vùng cấm sát
đ
ỉ
nh
vùng hóa
tr
ị
(Hình 2.3b) cho
phép giải thích cách sinh hạt dẫn của chất bán dẫn loại này.
Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tồn tại nhiêu
ion âm tạp chất có tính chất
đ
ị
nh
xứ từng vùng và dòng điện
trong chật bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương
đương nhau:
l
ỗ
trống được gọi là các hạt dẫn đa số, điện tử hạt
thiểu số, với các nồng độ tương
ứ
ng
là p

p
và n
p
(p
p
>>n
p
).
6
e- Vài hiện tượng vật lí thường
g
ặ
p
Cách sinh hạt dẫn và tạo thành dòng điện trong chất bán
dẫn thường liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lí sau:
Hiện tượng ion hóa nguyên tử (của chất tạp chất) là hiện
tượng gắn liền với quá trình năng lượng của các hạt. Rõ ràng
số hạt sinh ra bằng số mức năng lượng
b
ị
chiếm trong vùng
dẫn hay số mức
b
ị
trống trong vùng hóa
tr
ị
.
Kết quả của vật lý
t

h
ố
ng
kê lượng tử cho phép tính nồng độ các hạt này dựa vào
hàm thống kê Fermi – Dirac:
7
D
p
i
E
m
ax
n
=
∫
N(E)F(E)dE
E
C
E
V
p
=
∫
N(E)F(E)dE
E
min
(2-1)
với n,p là nòng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng
hóa
tr

ị
.
E
c
là mức năng lượng của đáy vùng
d
ẫ
n,
E
v
là mức năng lượng của
đ
ỉ
nh
vùng hóa
tr
ị
,
E
max
là trạng thái năng lượng cao
nhất của điện
t
ử
,
E
min
là trạng thái
năng lượng thấp nhất của lỗ
tr

ố
ng,
N
(E)
là hàm mật độ trạng thái theo
năng
l
ượ
ng,
F
(E)
là hàm phân bố thống kê hạt theo năng
l
ượ
ng.
Theo đó người ta xác
đ
ị
nh
đ
ượ
c:
n
=
N
exp(
−
E
c
−

E
F
)
p
=
N
exp(
E
F
−
E
V
)
(2-2)
c
K
T
V
KT
với N
c
, N
v
là mật độ trạng thái hiệu dụng trong các vùng tương
ứng E
F
là mức thế hóa học (mức Fermi).
Kết quả phân tích cho phép có các kết luận chủ yếu sau:
•
Ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ hai loại hạt dẫn là một

hằng số (trong bất kì chất bán dẫn loại nào)
n
n
. p
n
= p
p
n
p
= n
i
p
i
= n
i
2
= N
C
N
V
exp( - E
g
/KT ) = const (2-3)
nghĩa là việc tăng nồng độ 1 loại hạt này luôn kèm theo việc giảm
nồng độ tương
ứ
ng
loại hạt kia.
Trong chất bán dẫn loại n có n
n

> > n
i
>>p
p
do đó số điện tử
tự do luôn bằng
s
ố
lượng ion dương tạp chất: n
n
= N
+
. Tương tự, trong chất bán
dẫn loại p có p >> n
8

>> n
p
) do đó số lỗ trống luôn bằng số lượng ion âm tạp chất: p
p
=
N
A
-
- Hiện tượng tái hợp của các hạt
d
ẫ
n
Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân bằng nhiệt
động học của hệ

h
ạ
t
(n.p
≠
n
i
2
). Khi đó người ta thường quan
tâm tới số gia tăng nồng độ của các hạt
thi
ể
u
số vì chúng có vai
trò quyết
đ
ị
nh
tới nhiều cơ chế phát sinh dòng điện trong các
d
ụ
ng
cụ bán dẫn. Hiện tượng tái hợp hạt dẫn là quá trình
ngược lại, liên quan tới các chuyển dời điện tử từ mức năng
lượng cao trong vùng dẫn về mức thấp hơn trong vùng hóa
tr
ị
.
Hiện tượng tái hợp làm mất đi đồng thời 1 cặp hạt dẫn và đưa hệ
hạt

v
ề
lại 1 trạng thái cân bằng
m
ớ
i.
Khi đó, trong chất bán dẫn loại n, là sự tái hợp của lỗ trống
với điện tử trong
đ
i
ề
u
kiện nồng độ điện tử cao:

t

∆p(t)
=
∆
p(0)exp

−

τ

(2-4)

p

Ở đây:

∆
p(
t
)
là mức giảm của lỗ trống theo thời gian.
20
∆
p(0)
là số lượng lỗ trống lúc t = 0 (có được sau 1 quá trình
sinh
h
ạ
t
)
τ
p
là thời gian sống của lố trống trong chất bán dẫn loại n
(là khoảng thời gian trong đó nồng độ lỗ trống dư giảm đi e
l
ầ
n)
∆
n(
t
)
=
∆
n(o)exp(-
t/
τ

p
) (2-5)
Các thông số
τ
p
và
τ
n
quyết
đ
ị
nh
tới các tính chất tần số (tác
động nhanh) của các dụng cụ bán dẫn. Dưới tác dụng của điện
trường, hạt dẫn tự do chuyển động
đ
ị
nh
hướng có gia tốc tạo
nên 1 dòng điện (gọi là dòng trôi) với vận tốc trung bình
t
ỉ
lệ
v
ớ
i
cường độ E của t
r
ườ
ng

:
v
tb
=µE Suy ra v
tbn
= - nµ
n
E (2-6)
v
tbp
= µ
p
E
Trong đó µ
p,
µ
n
là các hệ số
t
ỉ
lệ gọi là độ linh động của các
hạt dẫn tương
ứ
ng
(với chất bán dẫn tạp chất chế tạo từ Ge có µ
n
= 3800 cm
2
/ V.s ;
µ

p
= 1800 cm
2
/V.s,
từ Si có µ
n
= 1300 cm
2
/V.s ; µ
p
=
500cm
2
/V.s). Từ đó, mật độ dòng
trôi gồm hai thành
ph
ầ
n
:
I
trôin
= - q . n . v
tbn
(2=7)
với q là điện tích các
h
ạ
t.
I
trôip

= q . p . v
tbp
hay dòng trôi toàn phần I
trôi
= I
trôin
+ I
trôip
I
trôi
= qE(µ
n
n + µ
p
p)
(2-
8)
- Chuyển động khuếch tán của các hạt
d
ẫ
n
Do có sự chênh lệch vế nồng độ theo không gian, các hạt
dẫn thực hiện
chuy
ể
n
động khuếch tán từ lớp có nồng độ cao tới
lớp có nồng độ thấp. Mật độ dòng
khu
ế

ch
tán theo phương giảm
của nồng độ có
d
ạ
ng
:
I
ktn
= q . D
n
( - dn/dx ) = q . D
n
. dn/dx (2-9)
21
n
p
I
ktp
= q . D
p
( - dp/dx ) = - q . D
p
. dp/dx (2-
10)
với D
n
và D
p
là các hệ số

t
ỉ
lệ gọi là hệ số khuếch tán của
các hạt tương
ứ
ng
. Người ta chứng minh được các tính
chất sau:
D = µKT/q = U
T
. µ (hệ thức Einstein) .
Trong đó U
T
là thế nhiệt (U
T
≈
25mv ở nhiệt đô phòng T = 296
o
K)
D
n
τ
n
=
L
2
; D
p
τ
p

= L
2
Trong đó L
n’
L
p
là quãng đường khuếch tán của hạt (là
khoảng cách trong
đ
ó
nồng độ hạt khuếch tán giảm đi e lần
theo phương khuếch tán) đó cũng chính là quãng đường trung
bình hạt
d
ị
ch
chuyển khuếch tán được trong thời gian sống
c
ủ
a
nó.
22
2.1.2. Mặt ghép p-n và tính chỉnh
l
ư
u
của đốt bán
d
ẫ
n

a – Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài
Khi cho hai đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại n và loại p tiếp
xúc công nghệ
v
ớ
i
nhau, các hlện tượng vật lí xảy ra tại nơi tiếp
xúc là cơ sở cho hầu hết các dụng
c
ụ
bán dẫn điện hiện
đ
ạ
i
.
Hình 2.4 biểu diễn mô hình lí tưởng hóa một mặt ghép p-n
khi chưa có điện áp ngoài đặt vào. Với giả thiết ở nhiệt độ
phòng, các nguyên tử tạp chất đã
b
ị
ion hóa
hoàn toàn (n
n
=
N
+
; p
= N
-
). Các hiện tượng xảy ra tại nơi tiếp xúc

có thể mô t
ả
D p A
tóm tắt như sau:
p n
p
−
⊕
n
I
tr
E
t
x
I
kt
u
t
x
Anèt
K
t
è
t
Hình 2.24: Mặt ghép p- n khi chưa có điện trường ngoài
Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (n
n
>>n
p
và p

p
>>p
n
) tại
vùng tiếp xúc có
hi
ệ
n
tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi
tiếp giáp, xuất hiện 1 dòng điện khuếch tán I
kt
hướng từ p sang
n. Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện
tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và
có điện trở lớn (hơn
nhi
ề
u
cấp so với các vùng còn lại), do đó
đồng thời xuất hiện 1 điện trường nội bộ hướng t
ừ
vùng N (lớp
ion dương N
D
) sang vùng P (lớp ion âm N
A
) gọi là điện trường
23
tiếp xúc
E

tx
.
Người ta nói đã xuất hiện 1 hàng rào điện thế hay một hiệu thế
tiếp xúc U
tx
. Bề
d
ầ
y
lớp nghèo l(0) phụ thuộc vào nồng độ tạp
chất, nếu N
A
= N
D
) thì l(0) đối xứng qua
m
ặ
t tiếp xúc : l
on
= l
op
;
thường N
A
>>N
D
nên l
on
>>l
op

và phần chủ yếu nằm bên loại
bán
d
ẫ
n
pha tạp chất ít hơn (có điện trở suất cao hơn). điện
trường E
tx
cản trở chuyển
độ
ng
của đòng khuếch tán và gây ra
chuyển động gia tốc (trôi) của các hạt thiểu số qua miền tiếp
xúc, có chiều ngược lại với dòng khuếch tán. Quá trình này tiếp
diễn sẽ
d
ẫ
n
24
n
q
tới 1 trạng thái cân bằng động: I
kt
= I
tr
và không có dòng điện
qua tiếp xúc p-n.
Hi
ệ
u

thế tiếp xúc có giá
tr
ị
xác lập, được xác
đ
ị
nh b
ở
i
K
T

p

KT

n

U
=
ln

p

=
ln

n

(2-11)

t
x
q

p
n

 

p

Với những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng, U
tx
có giá
tr
ị
khoảng 0,3V với t
i
ế
p
xúc p-n làm từ Ge và 0,6V với loại làm từ Si,
phụ thuộc vào
t
ỉ
số nồng độ hạt dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ
số nhiệt âm (-2mV/K).
b – Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài
Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ
b
ị

phá vỡ khi đặt tới
tiếp xúc p-n một
đ
i
ệ
n
trường ngoài. Có hai trường hợp xảy ra (h.
2.5a và b).
p
−
⊕
n
E
t
p
−
⊕
n
E
t
p
−
⊕
n
E
ng
I
k
t
E

ng
I
kt
Hình 2.5: Mặt ghép p-n khi có điện áp phân
c
ự
c
Khi điện trườngnguài (E
ng
) ngược chiều với E
tx
(tức là có
cực tính dương đặt vào p, âm đặt vào n) khi đó E
ng
chủ yếu
đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với E
tx
nên cường độ trường
tổng cộng tại vùng lo giảm đi do đó làm tăng chuyển động
khu
ế
ch
tán I
kt
↑ người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số
qua miền tiếp xúc p-n khi nó được mở. Dòng điện trôi do E
xt
gây ra gần như giảm không đáng kể do nồng độ
h
ạ

t thiểu số
nhỏ. Trường hợp này ứng với hình 2.5a gọi là phân cực thuận
cho tiếp xúc p- n. Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi so với lo.
25
Khi E
ng
cùng chiều với E
tx
(ngu
ồ
n
ngoài có cực dương đặt
vào n và âm dặt vào p, tác dụng xếp chồng điện trường t
ạ
i
vùng
nghèo, dòng I
kt
giảm tới không, dòng I
tr
có tăng chút ít và
nhanh đến một giá t
r
ị
bão hòa gọi là dòng điện ngược bão hòa
của tiếp xúc p-n. Bề rộng vùng nghèo t
ă
ng
lên so với trạng thái
cân bằng. Người ta gọi đó là sự phân cực ngược cho tiến xúc p-

n.
Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt trong 1 điện trường ngoài có
tính chất van:
d
ẫ
n
điện không đối xứng theo 2 chiều. Người ta
gọi đó là hiệu ứng
ch
ỉ
nh
lưu của tiếp xúc p-n: theo chiều phân
cực thuận (U
AK
> 0), dòng có giá
tr
ị
lớn tạo bởi dòng hạt đa
s
ố
phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngược (U
sk
<
0) dòng có giá
tr
ị
nh
ỏ
hơn vài cấp do hạt thiểu số trôi qua tiếp
giáp p-n khối. Đây là kết quả trực tiếp

c
ủ
a
hiệu ứng điều biến
điện trở của lớp nghèo của mặt ghép p-n dưới tác động
c
ủ
a
trường ngoài.
26
c – Đặc tuyến Von –Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán
d
ẫ
n
Điốt bán dẫn có cấu tạo là một chuyển tiếp p-n với hai điện
cực nối ra phía miền p là anốt, phía miền n là
ka
t
ố
t.
I
m
A
Ge
Si
1
2
U
AK
(V)

µ
A
3
Hình 2.6: Đặc tuyến Von – Ampe của điôt bán
d
ẫ
n
Nối tiếp điốt bán dẫn với 1 nguồn điện áp ngoài qua 1 điện trở
hạn chế dòng,
bi
ế
n
đổi cường độ và chiều của điện áp ngoài,
người ta thu được đặc tuyến Von-Ampe
c
ủ
a
đốt có dạng hình
2.6. Đay là 1 đường cong có dạng phức tạp, chia làm 3 vùng rõ
r
ệ
t: Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2)
tương ứng với trường
h
ợ
p
phân cực ngược và vùng (3) được
gọi là vùng đánh thủng tiếp xúc p-n.
Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe giữa lí thuyết và thực
tế người ta rút

đ
ượ
c
các kết luận chủ yếu sau:
Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có
d
ạ
ng
:


U
AK


I
A
=
I
S
(T)

exp
 
−
1

m.U
(2-12)


 T 


D .n D p

27

L
trong
đ
ó
I
S
=
q.s.


n
po
+
L
n
p n


p

gọi là dòng điện ngược bão hòa có giá
tr
ị

gần như không phụ
thuộc vào U
AK
,
ch
ỉ
ph
ụ
28
thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài và hệ
số khuếch tán tức là vào bản chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất
loại n và p và do đó phụ thuộc vào
nhi
ệ
t
độ
.
U
T
= KT/q gọi là thế nhiệt; ở T= 300
0
K với q = 1,6.10
– 19
C, k = 1,38.10
-23
J
/
K U
T
có giá xấp

x
ỉ
25,5mV; m = (1
÷
2)
là hệ số hiệu
ch
ỉ
nh
giữa lí thuyết và thực t
ế
- Tại vùng mở (phân cực thuận): U
T
và I
s
có phụ thuộc vào
nhiệt độ nên dạng
đ
ườ
ng
cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt được xác
đ
ị
nh
bởi
đạo hàm riêng U
AK
theo nhiệt
độ
.

∂
U
AK
∂
T
I
A
=
cons
t
≈ −
2
m
V
K
nghĩa là khi giữ cho đòng điện thuận qua van không đổi, điện áp
thuận giảm
t
ỉ
lệ theo nhiệt độ với tốc độ -2mV/K.
- Tại vùng khóa (phân cực ngược) giá
tr
ị
dòng bão hòa I
s
nhỏ
(10
- 12
A/cm
2

với Si và
10
-6
A/cm
2
với Ge và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với
mức độ +10% giá t
r
ị
/
0
k
:
∆
I
s
(
∆
T
= 10
0
K) = I
s
tức là đòng điện ngược tăng gấp đôi khi gia
số nhiệt độ tăng 10
O
C
- Các kết luận vừa nêu đối với I
s
và U

AK
ch
ỉ
rõ hoạt động của
điôt bán dẫn phụ t
hu
ộ
c
mạnh vào nhiệt độ và trong thực tế các
mạch điện tử có sử dụng tới điốt bán
d
ẫ
n
hoặc tranzito sau
này, người ta cần có nhiều biện pháp nghiêm ngặt để duy trì sự
ổ
n
đ
ị
nh
của chúng khi làm việc, chống (bù) lại các nguyên nhân
kể trên do nhiệt độ gây ra.
- Tại vùng đánh thủng (khi U
AK
< 0 và có
tr
ị
số đủ lớn) dòng điện
ngược tăng đột
ng

ộ
t trong khi điện áp giữa anốt và katốt không
tăng. Tính chất van của điốt khi đó
b
ị
phá hoại. Tồn tại hai đang
đánh thủng chính:
•
Đánh thủng vì nhiệt do tiếp xúc p-n
b
ị
nung nóng cục bộ, vì
va chạm của hạt t
hi
ể
u
số được gia tốc trong trường mạnh. Điều
này dẫn tới quá trình sinh hạt ồ ạt (ion hóa nguyên tử chất bán
dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp t
ụ
c
29
tăng. Dòng điện ngược tăng đột biến và mặt ghép p-n
b
ị
phá
h
ỏ
ng
.

•
Đánh thủng vì điện do hai hiệu ứng: ion hóa do va chạm
giữa hạt thiểu số
đ
ượ
c
gia tốc trong trường mạnh cỡ 10
5
V/cm
với nguyên tử của chất bán dẫn thuần t
h
ườ
ng
xảy ra ở các mặt ghép p-n rộng (hiệu ứng Zener) và hiệu ứng
xuyên hầm (Tuner)
x
ả
y
ra ở các tiếp xúc p-n hẹp do pha tạp
chất với nồng độ cao liên quan tới hiện t
ượ
ng
nhảy mức trực
tiếp của điện tử hóa
tr
ị
bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiếp xúc
sang vùng dẫn bên bán dẫn n.
Khi phân tích hoạt động của điốt trong các mạch điện cụ thể,
người ta thường

s
ử
dụng các đại lượng (tham số) đặc trưng cho
nó. Có hai nhóm tham số chính với
m
ộ
t điốt bán dẫn là nhóm
các tham số giới hạn đặc trưng cho chế độ làm việc giới hạn
c
ủ
a
điốt và nhóm các tham số
đ
ị
nh
mức đặc trưng cho chế độ làm
việc thông t
h
ườ
ng
.
- Các tham số giới hạn là:
•
Điện áp ngược cực đại để điốt còn thể hiện tính chất van
(chưa
b
ị
đánh t
h
ủ

ng)
: U
ngcmax
(thường giá
tr
ị
U
ngcmax
chọn khoảng 80% giá
tr
ị
điện áp đánh thủng
U
đ
t
)
•
Dòng cho phép cực đại qua van lúc mở: I
Acf
.
30
l
A
•
Công suất tiêu hao cực đại cho phép trên van để chưa
b
ị
hỏng vì nhiệt: P
Acf
.

•
Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) đặt lên van để nó
còn tính chất van:
f
max
.
- Các tham số
đ
ị
nh
mức chủ yếu là:
•
Điện trở 1 chiều của
đ
i
ố
t:
R
d
=
U
A
K
I
A
=
U
T
I
A


I
n


I
S

+
1


(2-13)
•
Điện trở vi phân (xoay chiều) của
đ
i
ố
t:
r
=
∂
U
AK
đ
∂
I
=
U
T

I
+
I
(2-14)
A A S
U
T
Với nhánh
t
hu
ậ
n
I
A
≈
r
dth
do I
A
lớn nên giá
tr
ị
r
d
nhỏ và giảm
nhanh theo mức t
ă
ng
U
T

của I
A
; với nhánh
ng
ượ
c
≈
r
dng
c
I
S
lớn và ít phụ thuộc vào dòng giá
tr
ị
r
đth
và
r
đ
ngc
càng chênh lệch nhiều thì tính chất van càng thể hiện rõ.
•
Điện dung tiếp giáp p-n: lớp điện tích khối l
0
tương đương
như 1 tụ điện gọi là
điện dung của mặt ghép p-n: C
pn
= C

kt
+ C
rào
.
Trong đó C
rào
là thành phần điện dung
ch
ỉ
phụ thuộc vào điện
áp ngược (vài
ph
ầ
n
chục pF) và C
kt
là thành phần
ch
ỉ
phụ thuộc vào điện áp thuận
(vài pF).
31
Hình 2.6a: Kí hiệu và dạng đóng gói
thực tế của
đ
i
ố
t
32
Ở những tần số làm việc cao, người ta phải để ý tới ảnh

hưởng của C
pn
tới các tính chất của mạch điện. Đặc biệt khi sử
dụng điốt ở chế độ khóa điện tử đóng mở
v
ớ
i
nh
ị
p
cao, điốt cần
một thời gian quá độ để hồi phục lại tính chất van lúc chuyển từ
m
ở
sang khóa. Điện áp mở van U
D
là giá
tr
ị
điện áp thuận đặt
lên van tương ứng để dòng thuận đạt được giá
tr
ị
0,1I
max
.
Người ta phân loại các điốt bán dẫn theo nhiều quan điểm khác
nhau:
•
Theo đặc điểm cấu tạo có loại điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt,

loại vật liệu sử
d
ụ
ng
: Ge hay Si.
•
Theo tần số giới hạn f
max
có loại điốt tần số cao, điốt tần số
t
h
ấ
p
.
•
Theo công suất p
Acf
có loại điốt công suất lớn, công suất
trung bình hoặc công
suất nhỏ (I
Acf
< 300mA)
•
Theo nguyên lý hoạt động hay phạm vi ứng dụng có các loại
điôt
ch
ỉ
nh
lưu,
đ

iô
t
ổn
đ
ị
nh
điện áp (điôt Zener), điôt biến dung (Varicap), điôt
sử dụng hiệu
ứ
ng
xuyên hầm (điôt Tunen)….
Chi tiết hơn, có thể xem thêm trong các tài liệu chuyên ngành
về dụng cụ bán
d
ẫ
n
đ
i
ệ
n
.
Hình2.6b: Điôt phát quang ( light –
emitting diode:
L
E
D)
Khi xét điôt trong mạch thực tế, người ta thường sử dụng sơ đồ
tương đương
c
ủ

a
điốt tương ứng với 2 trường hợp mở và khóa của nó (xem h.2.7)
33
r
=
I
Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của điốt bán dẫn lúc mở (a)
và lúc khóa (b)
Từ đó ta
có:
U
th
−
E
th th
đ
t
h
I
ngc
=
I
S
U
+
n
gc
r
đ
ngc

Với r
đth
≈
r
B
điện trở phần đế bazơ của điôt hay độ dốc trung
bình của vùng (1)
đ
ặ
c
tuyến Von-Ampe. Và r
đngc
là độ dốc
trung bình của nhánh ngược (2) của đặc t
uy
ế
n
Von-Ampe.
34