CÁC HIỆU ỨNG TRONG điện TRƯỜNG MẠNH

SEMINAR
Chủ đề: HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH

1. Hiện tượng
2. Giải thích
3. Ứng dụng


CÁC HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
1. Hiện tượng:
- Khi đặt điện áp thuận rất lớn vào mẫu bán dẫn p-n khi đó dòng điện lớn đi qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p
sang n giống như điốt chỉnh lưu thông thường .
- Khi đặt điện áp ngược rất lớn vào mẫu bán dẫn khi đó lớp tiếp giáp p-n bị đánh thủng làm cho dòng điện lớn đi
qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ n sang p.


ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
2. Giải thích:
Khi chuyển động trong điện trường, điện tử thay đổi tọa độ và năng
lượng

của

mình.

W(eV)
Wc

W(eV)
Wc

Khi nhảy từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì động năng
của nó tăng lên một khoảng Δw = eU (U là hiệu điện thế trên quãng đường
điện tử đi qua), còn thế năng của điện tử thì giảm đúng bằng như vậy để
tổng năng lượng không đổi.
Điện tử khi tán xạ có thể bị mất năng lượng tích lũy và quay lại mức
thấp hơn. Để thuận tiện, theo trục y ta ký hiệu năng lượng toàn phần trừ đi
ΔW, khi đó chuyển động của điện tử có thể biểu điễn bằng đường nằm
ngang

còn

đường nằm nghiêng.

mức

năng

lượng

là

Wv

Wv


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH

Trong điện trường mạnh sự tỉ lệ thuận của mật độ dòng điện với điện trường ngoài không còn
đúng nữa. Đó là hệ quả của sự thay đổi điện dẫn suất của vật liệu bán dẫn. Để giải thích sự
thay đổi này ta khảo sát hai yếu tố:
- Ảnh huởng của điện trường lên độ linh động

-

Nồng độ hạt dẫn trong thể tích của bán dẫn.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH

* Ảnh hưởng của điện trường lên độ linh động
Trong điện trường yếu, về cơ bản ảnh hưởng của trường chỉ làm thay đổi hướng vận tốc của hạt dẫn.
Trong điện trường đủ mạnh sự tăng giá trị của vận tốc trên độ dài bước tự do có thể so sánh với vận tốc
của chuyển động nhiệt, điều này dẫn tới sự giảm của thời gian bước tự do và sự thay đổi độ linh động
của hạt dẫn.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
 

* Ảnh hưởng của điện trường lên nồng độ hạt dẫn
6
Khi điện trường lớn hơn 10 V/m trong vật liệu bán dẫn bắt đầu xuất hiện một lượng thừa hạt dẫn và điện dẫn suất của nó tăng lên. Có các cơ chế
sau của sự tang nồng độ hạt dẫn:
+ Ion hoá nhiệt điện
Điện trường ngoài làm thay đổi dạng của rào thế giữa các nguyên tử của tinh thể. Nếu không có điện trường ngoài thì trong tinh thể giữa các
nguyên tử sẽ có trường tuần hoàn; dưới tác dụng của điện trường mạnh độ cao của rào thế sẽ giảm. Nếu đó là độ cao của rào thế của nguyên tử tạp

chất (ví dụ donor) thì sự giảm năng lượng một lượng dW dẫn đến sự tăng nồng độ hạt dẫn trong vùng dẫn:
n = . exp()
6
Sự thay đổi nhỏ dW gây ra một sự thay đổi lớn nồng độ hạt dẫn (hiện tượng trên chỉ xảy ra khi điện trường gần 10 V/m).


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
+ Ion hoá do va đập:
Điện tử tự do dưới tác dụng của điện trường mạnh có thể tích lũy năng lượng trên độ dài bước tự do đủ để
ion hoá nguyên tử tạp chất hay nguyên tử của chính vật liệu bán dẫn. Ion hoá do va đập làm cho số lượng
hạt dẫn tăng mạnh, vì điện tử vừa sinh ra lại bị gia tốc bởi điện trường, lại ion hoá các nguyên tử khác…
+ Hiệu ứng đường hầm
Điện trường mạnh gây ra độ nghiêng lớn trên giản đồ năng lượng . Trong điều kiện này điện tử có thể di
chuyển xuyên qua rào thế hẹp mà không thay đổi năng lượng của mình. Điện trường làm xuất hiện hiệu
8
ứng đường hầm khác nhau đối với mỗi vật liệu bán dẫn, thông thường cỡ 10 V/m.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
3. Ứng dụng.
Ổn định điện áp bằng điốt Zener (Điốt ổn áp)
- Điốt ổn áp làm việc dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ của tiếp giáp P-N khi phân cực ngược, bị đánh thủng
nhưng không hỏng.
- Điốt ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
Ổn định điện áp bằng điốt Zener (Điốt ổn áp)
- Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng điốt Zener như hình vẽ.

HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH
- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của điốt này giống như điốt chỉnh lưu
thông thường nhưng nhánh ngược có phần khác: Lúc đầu khi điện
áp ngược còn nhỏ thì Ingược có trị số nhỏ giống như các điốt thông
thường.
+ Khi điện áp ngược đạt tới giá trị điện áp ngược đánh thủng thì
dòng điện ngược qua điốt tăng lên đột ngột còn điện áp ngược trên
điốt được giữ hầu như không đổi. Đoạn đặc tuyến gần như song
song với trục dòng điện (đoạn A-B). Đoạn (A-B) được giới hạn bởi
(Iôđmin , Iôđmax) là đoạn làm việc của điốt ổn áp.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH

+ Để đảm bảo cho hiện tượng đánh thủng về điện không kéo theo đánh thủng về
nhiệt làm cho điốt bị hỏng, khi chế tạo người ta đã tính toán để tiếp giáp P-N chịu được dòng điện ngược. Mặt khác, trong mạch điện còn đặt
điện trở hạn chế để hạn chế không cho dòng điện ngược qua điốt vượt quá dòng điện ngược cho phép.
+ Khi dòng điện qua điốt nhỏ hơn giá trị Iôđmin thì điốt làm việc ở đoạn OA nên không có tác dụng ổn định điện áp.
+ Khi dòng điện qua điốt lớn hơn giá trị Iôđmax thì công suất toả ra trên điốt vượt quá công suất cho phép có thể làm cho điốt bị phá hỏng vì
nhiệt.


HIỆU ỨNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG MẠNH

- Trong mạch ổn áp điốt ổn áp mắc song song với phụ tải.
- Nếu uv thay đổi, Rt không đổi, trên đặc tuyến V-A khi uV thay đổi 1 lượng Denta uv khá lớn nhưng ura thay đổi một lượng Denta ura rất
nhỏ, dường như mọi sự thay đổi của uv đều hạ trên Rhc, đảm bảo điện áp ra tải không thay đổi.
- Nếu uv không đổi, Rt thay đổi. Lúc đó nội trở của điốt thay đổi dẫn tới sự phân bố lại dòng điện qua điốt và qua tải đảm bảo cho điện áp
ra tải là không đổi.