Dụng cụ bán dẫn và vi mạch dùng cho sinh viên ngành khoa học tự nhiên

i.Ê XUÂN THÊ


LÊ XUÂN THÊ

DỤNG CỤ BÁN DẪN

VA vi MẠCH
Dùng cho sinh viên ngành Khoa học tự nhiên
(Tái bản lần thứ nhất)

NHÀ XUẤT BẢN GIẤO DỤC


04 - 2006/CXB/99 - 1860/GD

Mă số: 7B623T6 - DAI


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay kỹ thuật điện tử được ứng dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu khoa học, trong
các ngành công nghiệp và trong đờl sống hàng ngày. Kỹ thuật điện tử là một lĩnh vưc
nghiên cứu và sử dụng các linh kiện điện tử bao gồm các dụng cụ bán dẫn và các mạch tổ
hợp (IC) để tạo nên các mạch điện tử và các thiết bị điện tử phục vụ con người.
Đê giúp sinh viên ngành Vó tuyến điện tử dễ dàng tìm hiểu và nghiên cứu kỹ thuật điện
tử hiện đại, chúng lói đã đưa giáo trình DỤNG cụ B Á N DẪN v à VI MẠCH vào dạy clio
sinh viên chuyên ngành Vật lý Vô tuyến. Đây là một trong những giáo trình cơ bản đã được
dạy nhiều năm ờ Bộ môn Vật lý Vô tuyến.Khoa Vật lý Trưèoig ĐHKHTTN.
Giáo trình DỤNG

cụ B Á N DẪN v à VI m ạ c h gồm có 5 chiromg :

Chương 1 : Những cơ sở vật lý của chất bán dẫn.
Chương 2 : Các loại điốt bán dẫn.
Chương 3 : Transistor và các dụng cụ bán dẫn khác.
Chương 4 : Khuếch đại vi sai.
Chương 5 : Khuếch đại thuật toán.
Với những nội dung nêu trôn, cuốn sách còn có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho
s in h v iê n v à c á n b ộ k ỹ thuẠt c ủ a c á c n g à n h k h á c c ó liê n q u a n đ ế n k ỹ th u ậ t đ iệ n tử n h ư :

Thông tin, Viễn thông, Đo lườiig, Điều khiển, Tự động hoá...
Do khá năng có hạn và cuốn sách được viết lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót.
Chúng tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để cuốn sách được bổ sung hoàn
hảo hơn.

Tác giả


Phần 1

DỤNG CỤ BÁN DẪN

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CHƯƠNG Ị

A - Công thoát n h iệt; hằng số.
B - Độ cảm ứng từ.
b

- Tỷ sô' độ linh động của điện tử và độ linh động của lỗ trống.

C j, Cy - Điện dung lớp chuyển tiếp p - n, điện dung của Varicap.

, Dp - Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống.
d - Độ rộng lớp chuyển tiếp p - n.
E - Điện trưòmg.
Eg, Ejj- Mức tạp chất axepto và đôno.
Ẹ q , E y, Ep - Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hoá trị, mức Fecmi.
Ep|, Ep , Ep - Mức Fecmi ỏ bán dẫn không tạp, bán dẫn loại n, loại p.
AE - Độ rộng vùng cấm.
g - Tốc độ sinh hạt tải điện,
ệ - Cường độ bức xạ.
f - Tần số.
I, Iịj,, I„g,
J,

I q - Dòng điện, dòng thuận, dòng ngược, dòng anốt, dòng máng.

, jp - Mật độ dòng, mậi độ dòng điện tử, mật độ dòng lỗ trống.

k - Hằng số Boltzman.
- Mật độ dòng điện tử khuếch tán và dòng lỗ trống khuếch tán.
K - Độ Kenvin.
L - Độ dài.
M - Hệ số nhận hạt tải của chuyển tiếp p - n.
m*, m* - Khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống.


N.,, N^ị - Mật dộ nguyên tử axcpto và đôno.
Nj,, N p - Mật độ hiệu dụng điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị.
n - Mật độ điện tử.
n^, Hp - Mật độ điên tử trong bán dẫn loại n và trong bán dẫn loại p.
riị, Pị - Mật độ điện tử, mật độ lỗ trống trong bán dẫn không tạp.

p - Mật độ lỗ trống.
q,

q p - Điện tích, điện tích của điện tử, điện tích của lỗ trống.

r - Tốc độ lái hợp.
s - Diện tích.
T - Nhiệt độ tuyệt đ ố i; chu kỳ dao động,
t - Tliời gian,
u - Điện áp.
V, v ,„

- Điện thế, điện thế thuận, điện thế ngược và điện thế đánh thủng.

V - Vận tốc.
a - Hệ số truyền dòng điện,
p - Hệ sô' khuếch đại dòng,
y - Đ ộ dẫn điện.
8 () - Hằng số điện môi của chân không.

£ - Hằng số điện mòi.
0 - Tliời gian rơ lắc.
(p -T h ế tĩnh điện.
- Hiệu thế tiếp xúc.
(p-Ị- - Thế nhiệt,
co-T ần số góc.
Un, |0.p - Độ linh động của điện tử và lỗ trống.
q - Điện trở suất,
ơ - Độ dẫn riêng.
Tp, Xp - Thời gian sống của điện tử và lỗ trống.

'


Chương 1
NHỮNG Cơ SỞ VẬT LÝ CỦA CHẤT BÁN DẪN

1.1. T ín h chết vật lý và c á c dạng dẫn điện của bán dẫn
Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn. Điện trở suất của chúng :
‘ÍBD ~ ( 10 “^ -ỉ- lo ’^) Q.cm,nẳm giữa điện trở suất của kim loại
ÍKL = ( 10 "^

10 “'*) Q.cm và điện trờ suất của điện môi

ÍĐM = (10'" - 10")
Kim loại

H
---- h10-® 10-'’

Bán dẫn

Điện môi

H---- h

c, [n.cm]

Hình 1.1 : Điện trở suất của các vật liệu.

Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn và các mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga,
As, và một số chất bán dẫn khác như Se. Ti hoặc một số loại oxyt, Cacbit, Sulíua...
Tính chất đặc trưng nhất của bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào
nhiệt độ, độ chiếu sáng và điện trường. Điện trở của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.
Ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Khảo sát bằng thực nghiệm cho ta sự
phụ thuộc vào nhiệt độ cùa điện trở K của kim loại và bán dăn duọc vẽ irôn hình 1.2.

Hình 1.2 : Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

1.1.1. Bán dẫn không tạp chát
Để giải thích đặc trưng dẫn điên của hán dẫn, ta hãy nghiên cứu một thể tích lý tưởng
của tinh thể Ge. Ge là một nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn. Hình vẽ 1.3a
mô tả mạng tinh thể Ge trên mạt phẳng.


Vùng dẫn

Ec

a = 0 = < ^ —3 = 1 3 = 0
Phát sinh

Ep
Tái hợp

Ev

Vùng hoá trị

b)

Hỉnh 1.3 : Mạng tinh thể (a) và giản đổ năng lượng (b) của Ge tinh khiết.

Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên tử lân cận
bằng 4 điện tử hoá trị. Hai đường thẳng nối giữa các nút mạng biểu diễn mối liên kết đổng
hoá trị giữa các cặp diện tử dùng chung.
Tổng hợp các mức năng lượng của các điện tử hoá trị của tinh thể Ge lý tường tạo nên
giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1.3b. Trong đó Ec : mức năng lượng đáy vùng dẫn.
Ey mức đỉnh vùng hoá trị. Ep mức Fecmi. AE : độ rộng vùng cấm.
ở nhiệt đ ộ T = 0K : Ò bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đểu tham gia mối
liên kết đồng hoá trị. Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mức nãng lượng trong vùng
hoá trị. Còn vùng dẫn không có điện tử. Như vậy ở T = OK, bán dẫn không dẫn điện. Giữa
đỉnh vùng hoá trị Ey và đáy vùng cấm Ec là vùng cấm có độ rộng AE = E,. - Ey
V ớ iG e:

A E ~ 0 ,7 2 eV

Với Si :

AE~1,2 eV

Như vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp một năng
lượng > AE. Năng lượng này có thể là nàng lượng nhiệt.
Khi nhiệt độ T > OK : Do cổ năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số điện tử phá
v5 liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong
vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống. Độ dẫn này trong điện từ trường giống như một điện
tích dương có giá trị diện tích bằng điện tích của điện tử. Quá trình tạo nên cặp điện tử tự
do và lỗ trống như trên đưọc gọi là quá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên
ưên hình 1-3b.
Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxvveỉl Boltzman.

8


^C-Ep
n = N„e

kT

( 1_ 1)

E p -E y

p

= NpC

kT

(1 _ 2 )

N^, N p : Mật độ hiệu dụng các trạng thái trong vùng
dẫn và vùng hoá trị.
k = l,38.10~^^j/K
Nhân ( 1.1) với (1.2). Coi khối lượng hiệu dụng của lỗ trống bằng khối lượng hiệu dụng
của điện tử và
« Np w N ta có :
E ^ —E y

n.p = N V

“T

AE

=

nV

>^

(1-3)

Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ điện tử trong vùng dẫn của bán dẫn
không tạp chất lìị bằng mật độ lỗ trống trong vùng hoá trị P i, tức là :
nj = Pị = n

(1-4)

Từ (1.3) ta suy ra :
AE

n = N

e

2kT

( 1_ 5 )

Từ công thức này ta thấy mật độ hạt tải điện trong bán dẫn càng lớn khi nhiệt độ càng

cao và độ rộng vùng cấm càng nhỏ. Từ (1.1) và (1.2) ta cũng rút ra :

E p , = 5 c ± 5 v = E v . f =E c - f

(1-6)

Như vậy múc Fecmi trong bán dẫn không tạp chất được nằm ở giữa vùng cấm (hình 1.3b).
Dưới tác dụng của năng lượng nhiệt, các điện tử trong vùng dẫn và các lỗ trống trong
vùng hoá trị thực hiện chuyển động nhiệt hỗn loạn. Song song với quá trình phát sinh nóì
trên, còn xảy ra quá trình các điên tử nhảy từ vùng dẫn xuống lấp vào lỗ trống trong
vùng hoá trị tạo nên quá trình tái hợp của cặp điện tử lỗ trống. Số tái hợp tỷ lệ với mật độ
hạt tải diện.
Khi đặt điện trường ngoài E vào bán dẫn : chuyển động của điện tử và lỗ trống trong
bán dẫn đư ạ: định hướng. Nghĩa là khi T > OK bán dẫn có khả năng dẫn điện. Độ dẫn càng
lớn khi cưòíng độ của quá trình p h á t sinh ra cặp điện tử lỗ trống càng lớn. Độ dẫn này bao
gồm cả chuyển động của điện tử và chuyên động của lỗ trống.
Như vậy độ dẫn toàn p h ^ j |^ |^ Ệ |^ ^ c ủ a điện tử cộng với độ dẫn của lỗ trống. Gọi dộ
dẫn toàn phẩn là y ta có :

í


Y =

+qpPMp

(í-7 )

í

q^,qp : Điện tích của điện tử và lỗ trống ;
|ij,, |ip : Độ linh động của điện tử và lỗ trống.
Độ dẫn này được gọi là độ dẫn riêng của bán dẫn. Độ dẫn riêng còn gọi là đô dẫn của
bán dãn không tạp chất. Bán dẫn không tạp chất còn được ký hiệu là bán dãn loại i. Độ dẫn
riêng thường là không lớn. Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗ trống đều chỉ ỉà do chuyến
động của điện tử trong bán dẫn (điện tử trong vùng dẫn chuyển động theo hướng ngược
chiều với điện trưòng. Còn các điện tử trong vùng hoá trị sẽ chuyên động đến lấp các lỗ
trống theo hướng ngược lại với chuyển động của lỗ trống). Mật độ điện tử và lỗ trống của
bán dẫn không tạp ở nhiệt độ phòng (20°C) đối với :
Ge : 2.1o''^cm

, với

Si ; l,4.10’‘^cm
(Mật độ nguyên tử của mạng tinh thể là 5.10“ cm
l.ỉ.2 . Bán dẫn tạp chất
• Bán dẫn h ạ i n : Nếu trong tinh thể Ge ta đưa vào tạp chất là nguyên tố nhóm V ví dụ
As. Nguyên tử As sẽ chiếm 1 nút mạng. Nó bỏ ra 4 điện tử tạo nên liên kết đồng hoá trị và
còn thừa 1 điện tử.

V ùng d ẫn
Điện tử
thừa

Ềc
Ef

-------- 0 ------ 2XỈ.------0 ------------------------------- E l----- E l

B ------------

LU
<

------------------ Vùng hoá tiỊ

a)

x>

uJ
<1

------------------

b)

Hình 1.4 : Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất As.

Các điện tử thừa nằm ở mức năng lượng tạp
vùng dẫn gọi là mức Đonor (mức cho). Mú
10

trong vùng cấm và gần đáy
AEjj «

AE nên ờ nhiệt độ


phòng các điện tử ở mức tạp chất dễ dàng chuyển hết lên vùng dẫn để lại các lỗ trống trên

mức

(nút mạng có nguyên tử tạp chất trở nên ion điộn tích dương).

Số lượng các điện tử từ mức
nhảy lên vùng dẫn rất lớn hofn sô' điện tử từ vùng hoá trị
nhảy lên vùng dẫn. Như vậy độ dẫn của bán dẫn tạp này là độ dẫn điện tử gọi là bán dẫn
loại n. Trong bán dẫn loại n thì điện tử là hạt Lải.cơ bản, lỗ trống là hạt tải khôn^ cơ bản.
MẠt độ điện tử trong bán dẫn loại n được tính :
Ep

n„ = iiiC

- E p

( 1- 8)

kT

Từ đây ta xác định được vị trí của mức Fecmi trong bán dẫn loại n :
Ep = Ep + kT In
*n

n

(1-9)

j

Như vậy ; MứcJ^ecmi tron^bán dẫn lạp loai j i sẽjii£h lêa gần vứ i vùng dẫn. Độ dịch

lên càng nhiều khi mật độ tạp chất càng cao. (Có thể nằm trên vùng dẫn như ờ điot Tunel).
•
Bán dẫn loại p : Nếu đưa tạp chất là nguyên tô' nhóm III ví dụ In vào Ge ta sẽ được
bán dẫn loại p. Nguyên tử In chiếm 1 nút mạng. Khi thực hiện liên kết đồng hoá trị sẽ thiếu
1 điện tử, để lại một lố trống.

Vùng dẩn

Ec

<
<

IXI

Ế
Ev

©—©—©
Vùng hoá trị

b)
Hình 1.5 : Mạng tinh thể (a) và giản đổ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất In.

Mức tạp chất của lỗ trống là

nằm trong vùng cấm và gần với đỉnh vùng hoá trị gọi là

axeptor (mức nhận). Vì AE^ «

AEnên ở nhiệt độ phòng các điện tử trong vùng hoá trị sẽ

dễ dàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức E ạ, để lại hàng loạt lỗ trống trong vùng hoá trị.
(Nguyồn tử In được điện tử nhảy lên chiêm lỗ trống tạo nên ion âm).
11


Sô' lỗ trống này rất lớn hơn sô' điện tử dẫn tạo nên do quá trình phát sinh hạt tải điện. Vì
vậy độ dẫn của bán dẫn này là dẫn lỗ trống. Lỗ trống là hạt tải cơ bản. Bán dẫn được gọi là
bán dẫn loại p.
Mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p được xác định :
Ep. - E,
(1- 10)

P pp = nịC

Từ đó ta tính được mức F e c m i:
Ep = Ep_ - kT In
V */
Như vậy mức Fecmi trong bán dẫn loại p lạị dịch xuống về phía đỉnh vùng hoá trị.
Độ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạp càng cao (có thể nằm trong vùng hoá trị như ở
điot Tunel).

1.2. S ự hình thành láp chuyển tiếp p - n. Hiệu t h ế tiếp xúc
Miền tiếp giáp giữa hai bán dẫn loại p và loại n được gọi là lớp chuyển tiếp p - n. Lớp
chuyển tiếp này là cơ sở của hầu hết các dụng cụ bán dẫn. Ta có thể tạo nên chuyển tiếp
mặt và chuyển tiếp điểm. Trước đây người ta chế tạo các lớp p - n bằng phương pháp bay
hơi, khuếch tán. Hiện nay người ta dùng phương pháp Epitaxial - Planar. Ta hãy nghiên
cứu quá trình vật lý xảy ra trong miển chuyển tiếp mặt p - n.
Dày w

p

Ị

Miền chuyển tiếp
Chuyển tiếp

s

n
1

n

Hỉnh 1.6 : Chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm p - n.

Khi đạt hai loại bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, vì mật độ điện tử bên n rất lÓTí hơn bên p
và ngược lại mật độ lỗ trống bên p rất lớn hcm bên n tức là tại miền tiếp giáp nhau có
gradian mật độ ;
dp , dn
dx
dx
Gradian mật độ này tạo nên sự khuếch tán điện tử sang p và khuếch tán lỗ trống sang n
miền này gọi là lóp chuyển tiếp p - n (còn gọi là miền nghèo).
12


Dòng khuếch tán là dòng các hạt cơ bản và được xác định :
Jp .K t

^ đn^
Jn .K t “

” ^ n^n

(1-12)

= -qpD
p^p dx

dx
"d x

( dn^

(1 -1 3 )

= qnD„ dx

jpi^,: Dòng lỗ trống khuếch tán ;
ị : Dòng điện tử khuếch tán ;
D„, D p: Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống.

-

I

-

I

-

+

+
‘
I
1

!

+
+
+

ÌKt

Ecp

E

fp

Evp

Hình 1.7 : Sự hình thành hàng rào
thế tiếp xúc và giẳh đổ năng lượng
của chuyển tiếp p - n

khi thế phân cực bằng khổng.

Ecn
Epn


Kếi quả là bôn n tích điện dương bên p tích điện âm tạo nên điện trường E nliư trẽn
hình vẽ1.7. Dưới tác dụng của diện trường này qua lớp chuyển tiếp p - n sẽcódòng cuốn
các hạt tài không cơ bản. Nghĩa là lỗ trống từ bán dẫn n và điệntừ từ bán dẫnloại p di qua
miền tiếp xúc. Mật độ dòng cuốn được tính như sau :

jp

jp.c' = qpPM p -E

(1-14)

in.c' = q n O ^ n - E

( > - 15)

: Dòng lỗ trống cuốn ;
(. ■: Dòng điện tử cuốn ;

qp,q„ : Điện tích cùa lỗ trống và điện tử ;
: Độ linh động của lỗ trống và điện tử ;
p : Mật độ lỗ trống ;
n : Mật độ điện tử.
Mật độ dòng tổng cộng đi qua miền chuyên tiếp p - n là tổng dòng khuếch tán cộng
dòng cuốn. Khi không có trườiig ngoài tổng này bằng 0. Vì khi gặp nhau chúng tái hợp

trong miền chuyển tiếp p - n. Vậy trong trạng thái cân bằng nhiệt động :
itổng = - q p D p ^

+ q p P ^ p E + qnD ,. ^

+

qnHMnE = 0

(1-16)

Khi có bán dẫn loại p đặt tiếp xúc với bán dẫn loại n thì tại chỗ tiếp xúc xuất hiện hàng
rào thế tiếp xúcỌị^.
(pi^ = (Pj In —

= Ọ j In

—

kT
= — = thế nhiệt (T = 300K thì

(1-17)

=0,026 V)

n^, Rp : Mật độ điện tử trong bán dẫn n và p
Pp, p„ : Mật độ lỗ trống trong bán dẫn p và n
(ở chuyển liếp loại Ge : (pK = (0,3

0 ,4)V

Si : (Pk = (0 ,7 ^ 0 ,8 )V
Như vậy khi không có trường ngoài đặt vào thì ờ cliỗ chuyển tiếp p - n có sự cân bầng
nhiệt động. Lúc đó mức Fecmi ở hai loại bán dẫn nằm ngang nhau (hình 1.7).

14


1.3. Đ à c trưng V o l - A m pe củ a lóp chuyên tiếp p - n
1.3.1. P h â n cực ngược

Khi ta mắc
có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫnp, lúc đó
nghèo mở rộng và độ cao hàng rào thế năng tăng lên (hình 1.8 a ) :

miền

+ Vng

Trạng thái cân bằng nhiệt động bị phá vỡ. Khi đó mật độ dòng khuếch tán qua miền
tiếp xúc p - n theo (1-12) và (1-13) giảm. Mật độ dòng cuốn (1-14), (1-15) không thay
đổi, vì khi tăng v„g chỉ làm tăng vận tốc cuốn các hạt tải chứ không làmtăngmật độ của
chúng. Dòng chạy qua miền tiếp xúc p - n lúc này là :
\

/
^ng

Ing = lo Ve

(f>T

- ỉ )

(1-18)

Đặc trưng V - A phù hợp (1-18) cho trên hình 1.9a.

15


-0+Vlh T “

I

I
I
I
I
I
I
t I

tr
%
I I

u
i ____

I I
I I

v,h %

E
Ecp
Ec,

V,th
;vp

I I
1 I

■Wi'
b)

Hình 1.8 : Hàng rào thế và giản đổ nàng lượng của chuyển tiếp p - n
khi phân cực ngược (a) và phân cực thuận (b).
Vng.đ th

16


ở điện áp ngược V > (4 ^ 5) (p-Ị-((pj = 0, IV ^ 0 , 13V). Thành phần thứ nhất trong
_

^»g

(1 -7 ) (thành phần dòng khuếch tán) IqC

có thể bỏ qua và dòng ngược đạt giá trị bão

hoàIj^g = I(), giá trị này không phụ thuộc mức độ điện áp ngược. Như vậy dòng ngược được
xác định bằng dòng các hạt tải không cơ bản (dòng cuốn).
Khi có điện áp ngược, mức Fecmi hai bên chênh nhau v„g. Nếu v„g tãng đến v„g
thì có sự đánh thủng và Iq tăng lên đột ngột. Đánh thùng lóp p - n ờ đây kèm theo đánh
thủng nhiệt. Sự đánh thủng được giải thích như sau :
Khi V^g >

điện trường trong lớp p - n tăng lêjT gia tốc các hạt tải có năng

lượng lớn khi va chạm sẽ ion hoá vật chất của lớp chuyển tiếp tạo nên thác lũ các cặp điện
tích bổ sung làm tăng mạnh dòng ngược.
Khi nhiệt độ môi trường tăng, dòng ngược cũng tăng theo công thức :
Io (T ) =

(1 -1 9 )

V ới To = 3 0 0 K

Điều đó thể hiện trên hình 1.9a.
1.3.2. P h â n cực thuận

Khi mắc V(ị, có cực dương vào bán dẫn p và cực âm vào bán dẫn n. Miền nghèo của lớp
chuyển tiếp p - n hẹp lại, độ dẫn của nó tăng lên. Vì dưới tác dụng của V(h các điện tử e sẽ
c h u y é n d ô iầ g v ề p h ía p c ò n l ỏ u ố n g c h u y ể ii đ ô iig v é p liía 11 . V ịi, đ ặ l v à o ià in c h o h à n g rà o

thế hạ xuống một lượng Vịj, (hình 1.8 b) và tạo điều kiện cho sự phun hạt tải cơ bản lỗ trống
từ p sang n và e từ n sang p. Khi đó qua lórp chuyển tiếp p - n sẽ có dòng thuận lớn đó là
dòng các hạt cơ bản đi qua. Hàng rào thế càng hạ thấp thì dòng thuận tiếp tục tăng trong
khi giá trị dòng cuốn ngược không đổi.
Khi chế tạo người ta thường tạo nên mật độ hạt loại p lón hơn 2 -ỉ-3 lẫn loại n (hoặc
ngược lại). Miền mật độ hạt cao, trở nhỏ, sẽ phun hạt tải qua lớp chuyển tiếp mạnh dùng
làm emitơ. Miền mật độ thấp, trờ cao dùng làm bazơ.
Dòng thuận gồm lỗ trống và điện tử :

- u

( 1- 20)

Đặc trưng V - A khi phân cực thuận trên hình 1,9b.
Khi V|h tăng thì I|h tăng theo hàm exp. Ị
Ị
2-0CBD&VM

17


Khi

Vịj,

»

dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở của miển bazơ Tị,.

(P j

Dòng thuận lớn gấp trãm lần dòng ngược. Tính chất này là tính chỉnh liai của chuyên
tiếp p - n. Khi tăng nhiệt độ, dòng thuận cũng cao hofn.
Bán dẫn khi có mật đô tạp cao được gọi là bán dẫn suy biến. Khi đó độ rộng kíp chuyển
0

tiếp chỉ hẹp cỡ lOOA. Vùng hoá trị của bên p cao lên trùng với vùng dẫn của n. Khi đó
điện tử từ n có thể chui sang p bằng hiệu ứng đường hẩm. Lúc đó ta có nguyên tắc hoạt
động của điốt Tunel. Đặc trưng V - A của điốt Tunel có dạng hình 1,9c

1.4. Chiểu rộng, điện dung củ a chuyển tiếp p - n
Sự phân bố thế trong miền chuyên tiếp được xác định bằng nghiệm của phương trình
Poisson. Quan hộ giữa trường thế cp và mật độ điện tích khối q ờ đó :

d^(p

( 1- 21)

d ỉ

1.4.1. Chiều rộng của lớp chuyển tiếp p - n
Khi cho rnột khối bán dẫn loại p tiếp xúc với khối bán dẫn loại n thì sự phân bố điện
tích khối ở mặt tiếp xúc đó có dạng nhảy bậc như hình 1 . 1 0 .
Phương trình Poisson ở đây là :
x„ >

X

qNd

>0

ee,

dx^

: Mật độ nguyên tử Đonor trong bán dẫn loại n
N a: Mật độ nguyên tử Axeptor trong bán dẫn loại p.
Với điểu kiện biên :q

x = x„->

dx

d(p

Giải phương ưình : Khi

X
^

dx
18

Hlnh 1.10 : Sự phân bố độ
rộng d và điện tích khối ỗ
chuyển tiếp p - n.

>0

-qNd d x - > % = - ^ x + c ,

EE,

dx

£8/.


Từ điều kiện biên :

c ,= ạ ^ x „ v à ^ =- 3^(x-x„)
e8o

"

dx

eco '

t

Từ đó lấy tích phân ta được :

_ -qNd

'' “

Tưcíng tự : Khi

X

X=

0

,p

“P'
<0 :

_ qN
92 = 2 s e ,
Tại

qNd

(xp + x )^ - ( P k

: h a i n g h iệ m p h ả i đ ồ n g n h ấ t n g h ĩa là :

d(p| _ d(p2
dx
dx

XnNd = XpN^

( 1- 22)

(l-2 3 a)
Từ đó

’^>= = Ì (

n . x ỉ +N, x ỉ )

Thay (1-22) vào và nhó rằng d =

2£e„

+

X

:

< N . + N j )9k

(l-2 3 b )

Nếu mật độ tạp chất của n và p như nhau (chuyển tiếp đối xứng) tức là :

Na=N,
Thì độ rộng :
2eeọ (Nạ + Nd)cpK 1 ^

d =
_

q

n ^n '

(l-2 4 a)

Nếu mật độ tạp chất ờ miền này rất lớn hơn miền kia (chuyển tiếp không đối xứng)
ví dụ : Ng »

Njj, mật độ tạp của bán dẫn p rất lớn, hơn mật độ tạp của bán dẫn n thì

(1 -24a) có thể viết :
19


d =

X

2g£ọ ^
q

(l-2 4 b )

N,

iíC

Vì
gian d ss

= —2- và nếu N,, »

N j thì

»

Xp

và đô rông của vùng điện tích không

nghĩa là miển điện tích không gian nằm chủ yếu bên bán dẫn có mạt độ tạp

chất nhỏ (cũng có trường hợp đạc biệt khi người ta tạo nên lớp chuyển tiếp có mật độ tạp
chất từ p sang n biến đổi tuyến tính theo quy lu ậ t:
N d ( x ) - N , ( x ) = ax

a : gradian mật độ tạp chất.
Khi đó độ rộng vùng chuyển tiếp :d = 2

(1-25)

Khi đặt điện áp ngoài vào chuyển tiếp p - n thì điện áp sụt hầu hết ở lớp chuyên tiếp có
độ rộng d vì điện trở của lớp này rất lón hơn các miền p và n. Sụt áp này làm thay đổi độ
rộng hàng rào thế năng. Ta hãy xét cụ thể hơn :
Nếu phân cực thuận : Điện áp ngoài ngược dấu với CP|<^ và hàng rào thế hạ thấp khi đó
với chuyển tiếp đối xứng (l-2 4 a ) có thể v iế t;
d =

q

(l-2 6 a)

N„ N,

Còn với chuyển tiếp không đối xứng (l-2 4 b ) có thể v iế t:
d =

2eeọ (9 k q
Nd

X

Điện áp thuận V càng tăng thì độ rộng vùng
chuyển tiếp càng giảm.

(l-2 6 b )
i Ỷ i
i-f-1
i qv 1

Epn

E p p ----------------------

Nếu phản cực ngược : Điện áp ngoài cùng
dấu với (P|^ vì vậy chiều cao hàng rào thế tăng, độ
rộng d cũng tăng lên (hình 1 . 1 1 ).

3 ) V th u ậ n

• Ei

Hinh 1.11 : a) Độ rộng lớp chuyển tiếp khi phân cực thuận :
b) Độ rộng lớp chuyển tiếp khi phân cực ngược.

20

b) Vngươc


1.4.2. Điện dung của lớp chuyển tiếp p - n
Như trên vừa trình bày, khi điện áp đặt vào chuyển tiếp p - n thay đổi thì kích thưóc d
cùa nó thay dổi, độ lớn của miền điện tích không gian thay đổi làm cho điện dung của lớp
này cũng thay đổi. Theo công thức của tụ phẳng :

Tliay d vào ta có điện dung của lớp chuyển tiếp đối xứng ;
-I

c, =s

(l-2 7 a)

Với chuyển tiếp không đối xứng ;

c, =s

(l-2 7 b )

Điện dung tăng khi mật độ tạp chất tăng. Công thức (l-2 7 b ) được sử dụng để xác định
mật độ tạp chất

bằng thực nghiệm đo sự phụ thuộc :

= f (v )

: tuyến tính

Khi V = (Pị^ t h ì - ^ = 0 . Như vậy có thể xác định (Pi^ bằng thực nghiệm. Trong các
chuyển tiếp có sự phân bố một độ tạp chất tuyến tính từ (1-25) ta rút ra ;

-T = f(V)
C‘

Từ đó có thể xác định a và cpi^ .

1.5. Đ ậ c trưng V - A củ a cấu trú c p - i - n
Điốt có bazơ là một vùng dẫn kim loại tiếp xúc l phía với bán dẫn loại p, 1 phía với bán
dẫn loại n gọi là điot p - i - n. Khi đặt điện áp 1 chiều từ p -> i thì các lỗ trống được phun
từ p
i còn điện tử được phun từ n -> i. Các lỗ trống phun qua bazơ thường được tái hợp
với điện từ, có 1 phần qua bên n thì được tái hợp rất nhanh vì mật độ điện tử ở đây rất lớn.
Cũng có quá trình tưcmg tự xảy ra đối với các điện tử phun từ n -> i và sang p.

21


Dòng tái hợp trong lớp i có thể tính được.
Như đã biết, sự thay đổi mật độ hạt tải do tái hợp
và do sự sinh ra biểu diễn bằng công thức Sokly Rida :
r-g =

p n -H ị

(1 -2 8 )

(n + p - 2 n j ) T j

riị : Mật độ điện tử của lớp kim lo ạ i;
p, n : Mật độ lỗ trống và điện tử trong
b á n d ẫ n k h ô n g s u y b iế n ;
Tj :

Thời gian

sốn g

của các hạt tải điện

;

r : Tốc độ tái hợp ;
g : Tốc độ sinh ra hạt tải.
ở đây mật độ điện tử và lỗ trống phun qua miền
i đ ể trun g h o à là b ằ n g n h a u n ê n H j ' = P ị ' v ậ y :

r - g = (n i'-n j)

Hình 1.12 : Cấu trúc p - i - n, sự phân
bô' mật độ hạt tải và giản đổ
năng lượng của nó.

2X;

(1-29)

Nhân tốc độ tái hợp trong lớp i với điện tích điện tử ta nhận được dòng tái hợp ;
q ( n i’- n j )

djS

2xi
Mật độ hạt tải phun

(1-30)

mặt tới hạn lớp i từ lớp p và lớp n :

Pi ’ = Pi exp

fq v n
[kT)
(1 -3 1 )

Iiị * = riị exp fqV 2 Ì
[kT)
P j: mật độ lỗ trống trong bán dẫn không tạ p ;
lìị: mật độ điện tử trong bán dẫn không tạp.
Vj , V2 : điện áp sụt trên p - i và trên i - n.
Tổng sụt thế V = Vj + V2 từ điều kiộn P ị' =, Hị' ta có :
V

V, = V2 = y
22

P ị' = Pi exp
Vì vậy :

(1-32)
riị ’ = Hị exp

Đặt vào biểu thức Ir dòng tái hợp :
exp

2kT

(1-33)

- 1

^ qSiìidi

Trong đó :

■
ù

2x

Khi dòng nhỏ điện áp trên chuyển tiếp V nhỏ so với điện thế bên ngoài.
Khi dòng lớn điện tử của bazơ giảrn nhiểu do sự phun hạt tải và sự phụ thuộc vào dòng
sẽ phức tạp hơn nhiều.

1.6. S ự đánh thủng lóp chuyển tiếp p ~ n
Khi điện áp ngược đặt vào chuyển tiếp

o

p - n tăng đến giá trị
Jị^ sẽ xuất hiện sự
tãng dòng qua điốt đột ngột. Sự tăng dòng
này gây ra do nhiều cơ chế khác nhau.
Điện trưòng trung bình trong miển điện tích
không gian của lớp chuyển tiếp p - n :

2 ee,

Vvn ;

(1-34)
Ing

Sự đánh thủng sẽ bắt đầu ở thế đạt được điện
trưcmg

Như vậy nếu d càng lớn (Nj càng

nhỏ) thì V càng phải lớn. Như vậy Vjị|, sẽ lớn
nhất ờ điốt p - i - n vì N(J trong miền bazơ của nó
nhỏ nhất và d lớn nhất. Có 3 cơ chế đánh thủng
điốt.

Hinh 1.13 : Các dạng đánh thủng

lớp chuyển tiếp p - n.
a) Đánh thủng thác lũ ;
b) Đánh thủng Tunel:
c) Đánh thủng nhiệt.

1.6.1. Đánh thủng thác lũ
Vì phân cực ngược lớn độ rộng chuyển tiếp d tâng. Nếu chiều rộng miền điện tích
không gian của lớp chuyển tiếp d > 1 (quãng đường tự do của các hạt tải điện) thì các hạt
tải không cơ bản trong điện trường của chuyển tiếp khi phân cực ngược có thể đạt được
23


tốc đô ion hoá mạng tinh thể tạo nên các cặp điện tử lỗ trống. Các hạt tải này lạitham gia
quá trình ion hoá tiếp tục. Tốc đô tàng dòng này có tính thác lũ.
Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào hệ số va chạm ion hoá của e và lỗ trống. Để đơn giàn
ta coi như độ tăng dòng của 2 loại hạt này bằng nhau.
Ví dụ : Ta nghiên cứu với chuyển tiếp p - n không đối xứng
dòng ngược cơ bản là dòng e dịch chuyển từ p

»

Pp. Trườiig hợp này

n (hình 1.14).

- Gọi Xi(E) íà số cặp điện tử và lỗ trống tạo nên bời các hạt tải điện trên 1cmđường
đi ở điện trường cho trước.
- Gọi số điện tử đi qua lớp chuyển tiếp p - n là ri(). Khi có 1 điện tử e va chạm gây ion
hoá sẽ tạo nên 1 điện tử và 1 lỗ trống, điện tử này sẽ tham gia ion hoá tiếp theo.
- Giả sử Hị là số điện tử lạo nên trên đoạn

-

Gọi

X

(kể từ miền p).

P t là s ố lỗ tr ố n g tạ o n ê n trên đ o ạ n X —> d .

Vì

từ p h ía p

qua lớp dx chỉ cho

các

điện tử đi qua, còn từ phía bán dẫn n chỉ cho lỗ trống qua. Như thế thì số cập điện tử và lỗ
trống tạo nên trong lớp dx bằng :
dn = (ny + n|)Xjdx + P2Xịdx = n 3Xjdx

(1-34)

T ro n g đó n3 = Hq + n| + P2 là số điện tử tại điểm d.

Hình 1.14 : Sự hình thành thác lũ hạt tải điện.
Sau khi tích phân và gọi hệ số nhân điện tử là M„ = — ta có :
n,
d

1 - M„ = jxi(E )dx

(1-35)

0

Sự đánh thủng tăng khi M=

00 nghĩa là tích phân bằng 1. Giá trị Xị phụ thuộc vào

cưòng độ điện trường tại điểm cho trước của chuyển tiếp, nghĩa là phụ thuộc vào sự phân bô'
mật độ tạp chất.
24


Trong thực tế ta thưòmg sử dụng hệ số nhân dòng điện :
I

1

y

r'

V

-

d.th
c : Hằng số với mỗi vật liệu bán dẫn (c = 2 -ỉ- 6 )

Cần thấy rằng, khi đánh thủng thác lũ, cùng với sự tăng dòng, điện trở của chuyển tiếp
p - n giảm đột ngột. Tuy nhiên thế trên chuyển tiếp p - n không hạ thấp hơn giá trị thế
đánh thủng vì cường độ E khi đó giảm so vái E cần thiết để va chạm ion hoá. Vì vậy sự
tăng dòng khi đánh thủng thác lũ xảy ra khi điện thế trên lớp chuyển tiếp p - n tăng không
đáng kể (hình 1,13a). Điều này được ứng dụng trong điốt ổn áp.
1.6.2. Đánh thủng Tunel
Với bán dẫn có mật độ tạp rất cao
(N > lo'^cm “^) được gọi là bán dẫn suy
biến. Khi đó độ rộng lớp chuyển
0

tiếpd < lOOA. Mức Fecmi được phân bố
như trên hình vẽ 1.15. Điều kiện d < l làm
cho các hạt tải không kịp lấy năng lượng để
ion hoá trong thời gian bay qua miền điện
tích không gian, ở đây có hiệu ứng Tunel.
Các hạt ở đây có năng lượng thấp hơn hàng
rà o t h ế n h ư n g n ó

có

th ể c h u i q u a v ù n g

chuyển tiếp theo cơ chế Tunel (hình 1.15).
Hệ sô' truyền qua Tunel vuông góc với
hàng rào thế có độ cao AE và độ rộng a :
D = D(,exp Ị-AaVÃĨẼỊ

(1-37)

A, D (,: Hằng số
- Xác xuất Tunel càng lớn khi độ cao hàng rào càng thấp và độ rộng càng hẹp.
- Các e~ từ vùng hoá trị của p chui Tunel qua lớp chuyển tiếp sang vùng đẫn của n.
AE
AE
- K h i V » < P K ; a = d, — = —
(

D = D q exp

= D o exp

qE
V

>

.

* AE/2
v /2

(1-38)
^

Mật độ dòng Tunel tỷ lệ với D : J-p ~ D .
25