Dụng cụ bán dẫn
2.1 Diode bán dẫn thường
Điện trở, tụ điện, cuộn cảm là các đơn vị tuyến tính (linear), hay còn gọi là các linh kiện thụ động (passive), điều này có nghĩa là chúng không có khả năng tạo ra các nguồn năng lượng trong bản thân chúng (built-in source of power).
Mạch vi điện tử (mạch tích hợp IC - Integrated Circuit) được cấu tạo bởi các diode, transistor, điện trở. Còn các yếu tố L, C do kích thước lớn nên người ta không chế tạo nằm trong vi mạch tích hợp. Các yếu tố này được mắc ở mạch ngoài để các đặc trưng của vi mạch, hoặc dùng chúng để nối các vi mạch với nhau.
Diode, transistor thông thường cũng xuất hiện dạng đơn linh kiện. Một hoặc một vài yếu tố này, kết hợp R, L, C sẽ tạo nên các mạch điện tử thực hiện được rất nhiều chức năng đa dạng.
Diode là một dụng cụ bán dẫn phi tuyến có hai cực (non-linear two-terminal device).
Hoạt động của diode dựa trên tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc p-n của hai loại bán dẫn p và n.
2.1.1 Khái niệm về chất bán dẫn ròng (intrinsic semiconductor)
Chất bán dẫn ròng là chất của các nguyên tố nhóm IV (Si, Ge). Giá trị điện trở suất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện: ρ chất dẫn điện < ρ bán dẫn < ρ chất cách điện. Ở nhiệt độ cao, bán dẫn có xu hướng tiến đến thành chất dẫn điện. Ở nhiệt độ thấp thì sẽ nghiên về tính chất của chất cách điện.
Trong chất bán dẫn ròng, mật độ các hạt tải điện
điện tử - electron (-) tự do và lỗ trống - hole (+) bằng nhau:
n = n = ni ∈ nhiệt độ nếu nhiệt độ tăng thì Ni tăng.
Ở nhiệt độ phòng, n.p = 2,1.1019 cm-6 (Si) = 2,89.1026 cm-6 (Ge) = 6.55.1012 cm-6 (GaAs) Tích n.p tại mỗi nhiệt độ xác định là một hằng số.
Khái niệm lỗ trống có nghĩa là nguyên tử khuyết đi 1 điện tử và trở thành điện tích dương tự do.
2.1.2 Khái niệm về chất bán dẫn pha tạp (extrinsic semiconductor - doping of semiconductor)
Nếu đơn thuần chỉ dừng lại ở chất bán dẫn tinh khiết thì không thể tạo ra các linh kiện điện tử bán dẫn đa dạng được, vì rằng nồng độ điện tử và lỗ trống do nhiệt độ quy định.
Do đó, đã nảy sinh ra vấn đề là làm sao thay đổi được nồng độ điện tử nhiều lên, ít đi, hoặc tương tự, nồng độ lỗ trống tăng lên, ít đi. Điều đó đã dẫn đến việc phân chia thành hai loại bán dẫn khác nhau là loại n và loại p.
Ý tưởng tiếp theo là hai loại này có các nồng độ khác nhau, các loại này tiếp xúc với nhau theo cấu trúc, độ dày mỏng các lớp, các kênh khác nhau sẽ hình thành nên một sự
Si Si
Si Si Si
Si Si Si
rất phong phú đa dạng của các linh kiện điện tử. Các linh kiện này tùy theo sự cấu thành trên, sẽ có chức năng, tần số hoạt động, khả năng chịu dòng, chịu thế, chịu nhiệt độ, độ nhạy… là khác nhau và hoàn toàn đặc trưng cho từng nhóm linh kiện.
Để thay đổi nồng độ điện tử và lỗ trống, người ta pha lẫn tạp chất thuộc nhóm III và V.
- Loại N: pha lẫn tạp chất nhóm V, chẳng hạn As (Asen). As có 5 electron hóa trị, trong khi Si chỉ có 4. Mỗi nguyên tử As sẽ thay thế một nguyên tử Si (Ge) nằm tại vị trí một nút mạng tinh thể Si và thực hiện 4 liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Si kề cận xung quanh bằng 4 e- của nó. Còn lại 1 e- còn lại sẽ bứt khỏi mạng tinh thể và trở thành electron tự do và là phần tử tải điện. Khi này, chất bán dẫn có số điện tử nhiều hơn so với lỗ trống.
Độ chênh lệch chính là nồng độ tạp chất thêm vào.
Như vậy, loại bán dẫn này gọi là bán dẫn loại n với:
+ Electron là phần tử tải điện cơ bản (majority carrier) + Lỗ trống là phần tử tải không cơ bản (minority carrier)
Nguyên tử arsenic được gọi là donor vì khi ion hóa nó sẽ “cho” một electron thành electron dẫn.
- Loại P: pha tạp chất nhóm III, chẳng hạn là Bo (Boron), có 3 điện tử hóa trị. Cũng như trên, các nguyên tử tạp chất nhóm III này sẽ thay thế tại vị trí các nút mạng của các nguyên tử nhóm IV. Để thực hiện đủ 4 liên kết của vai trò một nguyên tử nhóm IV thì Bo phải mượn 1 điện tử của một liên kết Si-Si trong mạng tinh thể. Khi đó sẽ để lại hậu quả là một lỗ trống tại liên kết Si-Si này. Lỗ trống này là lỗ trống tự do và tham gia làm phần tử tải điện chính. Mật độ lỗ trống được tạo thành chính là nồng độ tạp chất pha vào.
Như vậy, loại bán dẫn này gọi là bán dẫn loại p với:
+ Lỗ trống là phần tử tải điện cơ bản (majority carrier) + Electron là phần tử tải không cơ bản (minority carrier)
Nguyên tử Boron được gọi là acceptor vì khi ion hóa nó “nhận” một điện tử.
2.1.3 Lớp tiếp xúc p-n
- Khi cho bán dẫn P tiếp xúc với bán dẫn N, do có sự chênh lệnh rất lớn về nồng độ các hạt tải điện (electrons and holes) tồn tại gần miền tiếp giáp, lỗ trống sẽ khuếch tán từ P sang N và điện tử khuếch tán từ N sang P qua lớp tiếp xúc (diffusion current).
Si As
Si Si Si
Si Si Si
+ Excess + charge
Excess electron from arsenic atom
-
n-type silicon
Si Bo
Si Si Si
Si Si Si
- Excess
-charge
Positive hole, as one electron was removed from a bond to complete the tetrahedral
bonds of the boron atom
+
p-type silicon
- Kết quả của việc di chuyển hai loại hạt tải cơ bản này là việc mất các electron, xuất hiện các ion donor tích điện dương (+, positive) ở thanh bán dẫn N và mất các lỗ trống, xuất hiện các ion acceptor tích điện âm (-, negative) ở thanh bán dẫn P. Toàn bộ vùng chứa các ion này gọi là miền không gian tích điện (space charge region).
Miền này còn được gọi là miền nghèo (depletion region) vì sự nghèo nàn thiếu vắng của các hạt tải cơ bản đã khuếch tán.
- Miền không gian bán dẫn nằm ngoài miền nghèo không bị ảnh hưởng, được xem là miền trung hòa điện (neutral region)
- Diode được chế tạo với một miền bán dẫn có nồng độ pha tạp lớn hơn so với miền kia. Miền nồng độ lớn hơn được ký hiệu thêm với dấu (+), như là P+N hoặc N+P. Nồng độ lớn hơn là cỡ khoảng 3 lần.
Toàn bộ diode gồm P-N là một thể thống nhất trung hòa về điện, và tổng điện tích miền ion (+) bằng và ngược dấu với tổng điện tích miền ion (-):
-qNA-xpo = qND+xno
Vì mức độ pha tạp chất hai miền khác nhau nên xpo ≠ xno
- Việc tồn tại miền điện tích dương một bên và điện tích âm một bên sẽ làm hình thành một điện trường hướng từ N → P. Điện trường ngược chiều với sự khuếch tán các hạt tải cơ bản, nó sẽ lôi cuốn các electron từ P sang N và các hole từ N sang P (drift current).
- Điện trường này sẽ tương ứng với sự hình thành một hiệu điện thế nội tại nơi miền tiếp xúc. Hàng rào thế này ngăn trở việc khuếch tán của các phần tử tải cơ bản. Ký hiệu của hàng rào thế này là Vbi
2
i D bi A
n N lnN q V =KT
Với tiếp giáp của bán dẫn Si, Vbi = 0.7 ÷ 1V. Của bán dẫn Ge, Vbi = 1.0 ÷ 1.4V Driff and diffusion currents:
Tại trạng thái cân bằng nhiệt, khi không có nguồn điện bên ngoài tác động, dòng của các electron và và dòng của các lỗ trống bằng không.
Ielectron - diffusion N → P = - Ielectron - driff P → N
Ihole - diffusion P → N = - Ihole - driff N → P
- Trên thực tế, một diode được chế tạo có cấu trúc và hình dạng như sau:
Vbi
Neutral N-region Neutral
P-region
xpo xno
2.1.4 Phân cực cho diode
Phân cực cho diode (biasing a diode) là quá trình đặt một nguồn thế (hoặc nguồn dòng) vào giữa hai tiếp xúc kim loại của bán dẫn N và P. Hiệu thế phân cực này, tùy theo chiều, sẽ làm cho diode bị phân cực thuận (forward direction) hay phân cực ngược (reverse direction).
Đối với phân cực thuận, một hiệu điện thế nhỏ sẽ tạo ra một dòng điện lớn đi qua diode. Trong khi phân cực ngược, dòng là rất nhỏ, có thể xem như bỏ qua. Chỉ trừ khi hiệu thế ngược rất cao, hiện tượng đánh thủng (breakdown) sẽ xảy ra. Hiện tượng biểu hiện là dòng điện rất lớn tại một hiệu thế ổn định.
2.1.4.1 Phân cực thuận
- Hiệu điện thế đặt vào làm cho P có điện thế dương hơn N,
→ Era
↑↓ Erbi
làm cho điện trường giảm, hàng rào thế cũng giảm, miền nghèo hẹp lại → điện trở lớp tiếp xúc (trở nội của diode) giảm.
- Khi phân cực thuận, khi hàng rào thế giảm xuống, điện tử trong N sẽ khuếch tán sang P một lượng rất lớn (diffusion current). Dòng khuếch tán này lớn hơn nhiều so với dòng dịch electron (driff current) khi electron di chuyển theo lực điện trường từ P sang N.
Tương tự, lỗ trống sẽ khuếch tánt từ P sang N, và dòng khuếch tán này lớn hơn nhiều so với dòng dịch khi lỗ trống di chuyển từ N sang P.
- Kết quả là mật độ điện tử trong P tại miền nghèo tăng lên, và hình thành electron P-semiconductor
N-semiconductor N+-semiconductor
Metal back contact
Metal top contact 5 µm 100 µm
P N
Va(V)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Ge Si GaAs
I(mA)
Va(V) I(mA)
0 -20 -40
10 8 6 4 2
forward
reverse
breakdown
Vbi
Vbi -Va Vbi
Vbi -Va
Va > 0 Va < 0
x x
V V
forward case reverse case
+ -
+ - V
Va
R I
Era
Erbi
Er
gradient trong miền P. Tương tự, lỗ trống sẽ có một phân bố hole gradient trong miền N.
Hai gradient này sẽ hình thành bởi dòng khuếch tán (diffusion current), nhưng không phải của các hạt cơ bản mà là của các phần tử tải không cơ bản. Điều đó có nghĩa là, hole khi ở bên P là majority carrier, nhưng khi đã sang bên N lại là minority carrier. Ngược lại, electron khi ở bên N là majority carrier, nhưng sang P sẽ là minority carrier. Và dòng điện trong đặc trưng V-I thu được ở trên thì chính là dòng khuếch tán của các hạt tải không cơ bản này. Dòng này biến đổi theo quy luật hàm exponent.
Biểu thức dòng có dạng:
] kT 1 ][expqV L
n qD L
p [qD A
I a
n op n p
on
p + −
=
Trong đó,
A tiết diện lớp tiếp xúc Dp, Dn hằng số khuếch tán (diffusion constant) pon mật độ hole không cơ bản trong N nop mật độ electron không cơ bản trong P Lp, Ln chiều dài khuếch tán (diffusion length) 2.1.4.2 Phân cực ngược
- Hiệu điện thế làm cho N dương hơn so với P, hiệu điện thế tiếp xúc ở miền nghèo tăng lên, điện trường Er cũng tăng lên. Năng lượng cần thiết cho các hạt tải vượt qua hàng rào thế càng lớn, làm cho rất ít các hạt tải cơ bản chạy qua được lớp tiếp xúc, mà chỉ thuận lợi cho các hạt tải không cơ bản chạy qua.
- Vì vậy, dòng điện của diode lúc này chỉ là dòng rất nhỏ của các hạt tải không cơ bản.
Trong biểu thức tính dòng trên, Va < 0.
I = -Is, Is là dòng điện ngược bão hòa (reverse saturation current)
]
L n D L
p [D qA I
n op n p
on p
s = +
- Chú ý trong trường hợp phân cực thuận, miền nghèo thu hẹp lại, điện trở nội của diode là rất nhỏ. Còn khi phân cực ngược, miền nghèo mở rộng ra, trở nội của diode tăng lên rất lớn. Vì vậy, diode được xem là linh kiện chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều nhất định.
2.1.4.3 Hiện tượng đánh thủng
Khi tiếp tục tăng Vngược đến một giá trị đủ lớn nhất định, dòng điện ngược đột ngột tăng rất nhanh với một sự tăng rất nhỏ của Vngược. Phân loại thành hai hiện thượng đánh thủng: Zener breakdown (đánh thủng hiệu ứng xuyên hầm) và Avalanche breakdown (đánh thủng hiện ứng thác lũ).
Avalanche breakdown
Va = 0
P N pop
nop
non
pon
depletion region Va > 0
P N pop
nop
non
pon
Va < 0
P N pop
nop
non
pon
R -
+
- + V
Va
Is
Era
Erbi
E r
Trong hiện tượng đánh thủng thác lũ, electron trong miền nghèo được gia tốc bởi điện trường cao sẽ có một động năng rất lớn. Chúng sẽ va chạm vào các nút mạng của mạng tinh thể và phá vỡ các liên kết hóa trị. Mỗi một va chạm sẽ ion hóa một nút mạng, hình thành một cặp điện tử - lỗ trống tham gia làm hạt tải cơ bản. Các cặp này gọi là phần tử tải điện thứ cấp. Chúng lại nhận được động năng lớn và lại làm ion hóa các nút mạng khác.
Kết quả là việc hình thành một lượng cực lớn các hạt tải và tự nhiên là hình thành dòng điện đánh thủng rất lớn.
Zener breakdown
Cơ chế vật lý của hiện tượng đánh thủng Zener hoàn toàn khác cơ chế đánh thủng thác lũ. Điểm giống nhau duy nhất là hình dáng phần đặc tuyến ngược của diode.
- Hai điểm khác nhau chính là:
+ Hiệu điện thế ngược đánh thủng Zener trong Silicon diode là cỡ khoảng 5V hoặc nhỏ hơn. Trong khi của đánh thủng thác lũ là vài chục volt.
+ Đặc tuyến đánh thủng Zener thì đột ngột tăng hơn đánh thủng thác lũ.
- Đánh thủng Zener dựa chính trên hiệu ứng xuyên hầm (tunnelling). Khả năng xuyên hầm càng lớn khi độ rộng miền nghèo càng hẹp.
Điều này được thực hiện khi cả hai loại bán dẫn đều được pha tạp với nồng độ rất cao (1018cm-3)
Miền nghèo bị thu hẹp sẽ tạo ra một điện trường rất cao. Lúc đó, các electron sẽ nhanh chóng thu được
động năng lớn và hiện tượng đánh thủng xảy ra dễ dàng hơn. Và vì thế, Vz < Vbr.
- Đặc điểm nổi bật của diode Zener là hiệu điện thế ngược Vz gần như là không đổi, mặc dù dòng điện có thể thay đổi rất lớn. Vì thế, diode Zener thường được dùng để tạo ra các nguồn ổn áp chuẩn.
2.1.5 Dòng điện trong một mạch kín có diode
-Vz
-Vbr
Zener avalance
I
V