Linh kiện điện tử chương 3 điốt bán dẫn

Chương 3:
Điốt bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

•
•
•
•

Tiếp giáp p-n và điốt bán dẫn
Các tham số của điốt bán dẫn
Sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn
Phân loại và một số ứng dụng của điốt


NHATRANG UNIVERSITY

Tiếp giáp p-n
• Trên một miếng tinh thể bán dẫn, bằng các phương
pháp công nghệ, tạo ra hai vùng bán dẫn loại N và loại
P, thì tại ranh giới giữa hai vùng bán dẫn xuất hiện một
vùng, gọi là lớp tiếp giáp p-n (p-n junction)


Điốt bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

• Linh kiện chỉ có một lớp tiếp giáp p-n gọi là điôt
(diode) bán dẫn.
Hình dạng, ký
hiệu, cấu tạo:

Sự hình thành tiếp giáp p-n
NHATRANG UNIVERSITY

• Vùng bán dẫn loại N có hạt dẫn đa số là electron tự do
(NA=1016cm-3); vùng bán dẫn loại P hạt dẫn đa số là lỗ
trống (ND=1017cm-3).
• Do sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống giữa hai
vùng bán dẫn nên các electron ở gần tiếp giáp p-n
khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch
tán từ vùng P sang N. Kết quả là ở tiếp giáp p-n chỉ còn
các ion tạp chất: ion dương ở phía tạp chất n, ion âm ở
phía tạp chất p. Vùng giữa các ion này rất nghèo hạt dẫn
điện (electron, lỗ trống), nên được gọi là vùng nghèo
(depletion region) hay vùng điện tích không gian
• Các ion này tạo thành một điện trường hướng từ n sang
p gọi là điện trường tiếp xúc. Điện thế tạo bởi điện
trường này gọi là hàng rào thế năng (barrier potential)


NHATRANG UNIVERSITY

Sự hình thành tiếp giáp p-n

pn junction: tiếp giáp p-n
depletion region: Vùng nghèo
barrier potential: Hàng rào thế năng

Tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng
NHATRANG UNIVERSITY

• Điện trường tiếp xúc ngăn cản sự khuếch tán
của các hạt dẫn đa số (electron ở bán dẫn loại
n; lỗ trống ở bán dẫn loại p)→giảm dòng khuếch
tán, và tăng cường chuyển động trôi của các hạt
dẫn thiểu số→tăng dòng trôi. Khi dòng điện sinh
ra bởi các hạt dẫn này bằng nhau (nhưng ngược
chiều), thì tiếp giáp ở trạng thái cân bằng động.
• Ở trạng thái cân bằng động, tiếp giáp p-n có bề
dày xác định (10-6m), điện trường tiếp xúc và
hàng rào thế năng cũng có các giá trị xác định.


NHATRANG UNIVERSITY

Mô hình vùng năng lượng của tiếp
giáp p-n ở trạng thái cân bằng


Các tham số của tiếp giáp p-n ở trạng
thái cân bằng
Hiệu điện thế tiếp xúc
NHATRANG UNIVERSITY

xn

q
(

V = − ∫ Edx =
N A x 2p + N D xn2 )
2ε
− xp
ND N A
V0 = VT ln
ni2

xp: Độ rộng vùng nghèo về phía p
xn: Độ rộng vùng nghèo về phía n
ε=11,8ε0=11,8.8,85.10-14(F/cm):
Hằng số điện môi của chất bán dẫn

Điện trường tiếp xúc

ND N A
E0 = KT ln
2
ni


Tiếp giáp p-n phân cực thuận
NHATRANG UNIVERSITY

• Tiếp giáp p-n được phân cực thuận khi đặt một điện áp
một chiều có cực dương nối vào bán dẫn p và cực âm
nối vào bán dẫn n
• Điện áp phân cực (Vbias) phải lớn hơn hàng rào thế
năng.
• Điện trường ngoài ngược hướng với điện trường tiếp

xúc, nên làm giảm điện trường tiếp xúc. Etx=E0-Eng


Tiếp giáp p-n phân cực thuận
NHATRANG UNIVERSITY

• Điện trường ngoài hướng từ p sang n, làm các electron ở
bán dẫn n tiến tới tiếp giáp p-n, đây là hiện tượng “phun”
hạt dẫn vào vùng nghèo, làm điện trở vùng nghèo giảm
xuống nhanh chóng
• Điện trường ngoài làm tăng dòng khuếch tán và giảm dòng
trôi
• Điện trường ngoài làm giảm độ rộng vùng nghèo, làm giảm
điện trường tiếp xúc và làm giảm hàng rào thế năng
• Khi tiếp giáp p-n được phân cực thuận, có dòng điện từ bán
dẫn p sang bán dẫn n, gọi là dòng phân cực thuận.


Tiếp giáp p-n phân cực ngược
NHATRANG UNIVERSITY

• Tiếp giáp p-n được phân cực ngược khi đặt một điện áp
một chiều có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào
bán dẫn p
• Điện trường ngoài cùng hướng với điện trường tiếp xúc,
nên làm tăng cường điện trường tiếp xúc. Etx=E0+Eng


Tiếp giáp p-n phân cực ngược
NHATRANG UNIVERSITY

• Điện trường ngoài hướng từ n sang p làm cho các hạt
dẫn điện đa số (electron ở bán dẫn n, lỗ trống ở bán dẫn
p) càng rời xa tiếp giáp p-n, làm cho độ rộng của vùng
nghèo tăng lên, điện trở của vùng nghèo cũng tăng lên
nhanh chóng
• Điện trường ngoài làm giảm dòng khuếch tán và tăng
dòng trôi (dòng trôi rất nhỏ so với dòng khuếch tán)
• Khi tiếp giáp p-n được phân cực ngược, chỉ có dòng điện
ngược (rất nhỏ) qua tiếp giáp p-n.


Dòng điện ngược và hiện tượng
đánh thủng tiếp giáp p-n
NHATRANG UNIVERSITY

• Dòng điện ngược là dòng dịch chuyển có hướng của hạt
mang điện thiểu số (electron trong bán dẫn p, lỗ trống
trong bán dẫn n) dưới tác dụng của điện trường ngoài
• Dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài μA) và nhanh chóng bão
hào khi tăng điện áp phân cực ngược
• Nếu tiếp tục tăng điện áp phân cực ngược đến một mức
nào đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng, dòng ngược tăng đột
biến.


Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân
cực thuận
NHATRANG UNIVERSITY

• Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận là
dòng chuyển dời có hướng của các hạt dẫn điện
đa số: I=IP+IN
Dòng khuếch tán lỗ trống

qSD p p N   V
Ip =
exp
LP
  VT

 
 − 1
 

Dòng khuếch tán điện tử

qSDn n p   V
IN =
exp
LN   VT

 
 − 1
 

S: tiết diện tiếp giáp p-n
Dp;Dn: hệ số khuếch tán của lỗ
trống, electron
pN: nồng độ lỗ trống khuếch tán

từ p sang n
nP: nồng độ electron khuếch tán
từ n sang p
LP: độ dài khuếch tán của lỗ
trống
LN: độ dài khuếch tán của
electron
V: điện áp phân cực thuận
VT: thế nhiệt


NHATRANG UNIVERSITY

Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực
thuận
 qSD p p N qSDn n p    V
I = IP + IN = 
+
 exp
LN    VT
 LP
 V
I = I 0 exp
  VT

 
 − 1
 

 

 − 1
 

Với:

I0 =

SqD p p N
Lp

SqDn nP
+
Ln

Dòng điện ngược bão hòa


Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân
cực ngược

NHATRANG UNIVERSITY

• Dòng điện ngược bão hòa là dòng chuyển dời có
hướng của các hạt mang điện thiểu số: Ing=Ingp+Ingn

I ng =
I ng

SqD p p N
Lp

SqDn nP
+
Ln

 Dp

D
n  2

= S .q
+
.ni
L N

L
N
n
A 
 p D


Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

Xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm:
- Mắc các đồng hồ đo dòng điện và điện áp như hình vẽ


NHATRANG UNIVERSITY

Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
Đặc tuyến V-A
là quan hệ giữa
dòng điện qua
Điốt và điện áp
đặt vào các cực
của Điốt

 V
I = I 0 exp
  VT

 
 − 1
 


Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

• Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn chia thành ba
phần rõ rệt.
– Vùng phân cực thuận: Khi 0thuận gần như không có. Khi UAK≥Uth, dòng thuận tăng
nhanh
– Vùng phân cực ngược: Khi UAK<0, dòng ngược bão
hòa rất nhỏ (cỡ vài chục nA đến vài μA)
– Vùng đánh thủng: Dòng điện ngược tăng đột biến khi
điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủng

• Từ đặc tuyến V-A ta thấy Điốt là linh kiện chỉ dẫn
điện theo một chiều khi nó được phân cực
thuận. Người ta còn nói Điốt có tính chất Van


NHATRANG UNIVERSITY

Sự phụ thuộc của đặc tuyến V-A vào
nhiệt độ
 V
I = I 0 exp
  VT

 
 − 1
 

Từ công thức trên cho thấy
dòng điện qua điốt phụ
thuộc vào nhiệt độ thông
qua VT và phụ thuộc vào
dòng bão hòa ngược I0
Dòng bão hòa ngược phụ
thuộc mạnh vào nhiệt độ
với mức xấp xỉ tăng gấp đôi
khi nhiệt độ tăng 10oC; hay
-2,1mV/oC (Si); -2,3mV/oC
(Ge)

Các tham số của Điốt bán dẫn
Điện trở tĩnh: Là điện trở của tiếp giáp p-n khi có điện
NHATRANG UNIVERSITY

áp một chiều cố định đặt vào các cực của Điốt.

U AK
R0 =
I

R0th<
Điện trở động: Là điện trở của của tiếp giáp p-n khi làm
việc với điện áp biến đổi. Hay nói cách khác là điện trở tức
thời của tiếp giáp

∆U AK dU AK
ri =
=
∆I
dI


Các tham số của Điốt bán dẫn
Điện dung của Điốt: Là điện dung của lớp điện tích
NHATRANG UNIVERSITY

không gian ở trạng thái cân bằng hoặc khi phân cực ngược.

Điện áp ngược cực đại Ungmax: Là điện áp ngược tối
đa mà Điốt còn làm việc bình thường, thường Ungmax=0,8Udt

Dòng thuận cực đại Imax: Là dòng điện thuận tối đa mà
Điốt còn hoạt động bình thường

Khoảng nhiệt độ làm việc: Là khoảng nhiệt độ mà
Điốt còn làm việc bình thường. Đối với Điốt Si là từ -60 đến
150oC; Điốt Ge là -60 đến 85oC

Các tham số của Điốt thường được cho
ở Datasheet của hãng sản xuất


Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

• Mô hình Điốt lý tưởng (Ideal model): Điốt tương
đương với một công tắc:
– Công tắc đóng khi Điốt phân cực thuận
– Công tắc hở khi phân cực ngược


Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
NHATRANG UNIVERSITY

• Mô hình Điốt thực tế (Practical model): Giống như mô
hình lý tưởng nhưng tính đến ảnh hưởng của hàng rào

thế năng (0,7V đối với Si và 0,2V đối với Ge)
– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng
hàng rào thế năng) và công tắc đóng
– Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở


Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn

NHATRANG UNIVERSITY

• Mô hình Điốt hoàn chỉnh (Complete model): Là mô hình
kể đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng VF, điện trở
thuận r’d (rất nhỏ) và điện trở ngược r’R (rất lớn)
– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng
hàng rào thế năng), một công tắc đóng và điện trở thuận r’ d
– Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở và điện
trở ngược