DIODE VÀ CÁC MẠ CH ỨNG DỤ NG
8.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN
8.1.1.TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ
Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần tử đó. Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân chứa các hạt mang điện tích dương được gọi là proton và các hạt mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo bao quanh nhân. Với các nguyên tử khác loại số lượng electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau, xem hình H8.1.
Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên bảng phân loại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic number). Nguyên tử số được xác định theo số lượng proton chứa trong nhân. Trong điều kiện bình thường các nguyên tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron và proton bằng nhau.
Các điện tử chuyển động trên các tầng quỉ đạo quanh nhân với các khoảng cách khác nhau. Mỗi tầng quỉ đạo điện tử tương ứng với mức năng lượng khác nhau. Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn.
Trong nguyên tử những quỉ đạo được ghép thành nhóm trong các băng năng lượng (energy bands) được gọi là shell. Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố định. Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng lượng cho phép. Mức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ đạo trong cùng một shell phải nhỏ hơn mức năng lượng chênh lệch giữa hai shell kế cận nhau. Các shell được đánh số thứ tự 1, 2 , 3 ..từ trong nhân ra ngoài , xem hình H 8.2.
Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng cao nhưng kém liên kết chặt với nguyên tử so với các điện tử nằm gần nhân. Lớp shell nằm ngoài cùng được gọi là valence shell (lớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử hóa trị tham gia vào các phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các tính chất về điện của vật liệu.
Khi nguyên tử hấp thu nhiệt năng hay quang năng, năng lượng của các điện tử gia tăng. Các điện tử hóa trị có
khả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị. Khi các điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron. Quá trình mất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là ion dương. Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do. Khi các electron hóa trị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên tử trung hòa cho ta ion âm.
Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ:
Ne 2n2 (8.1)
Trong đó, là số thứ tự của shell tính từ trong nhân ra phía ngoài.
HÌNH H 8.1
HÌNH H 8.2
8.1.2.CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:
Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử. Những nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính dẫn điện của vật liệu.
Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu, nguyên tử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và phần lỏi bao gồm nhân và các shell bên trong. Carbon là loại vật liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons hóa trị trên shell hóa trị và 2 electron trên tầng trong cùng, nhân bao gồm 6 protons và 6 neutrons. Ta nói phần lỏi (core) của nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và 2 electrons tạo nên, xem hình H8.3.
8.1.2.1.CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR)
Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Các chất dẫn điện rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng , nhôm. Nguyên tử hình thành các vật liệu này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron tự do. Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng chứa nhiều electrons tự do.
8.1.2.2.CHẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR)
Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi trường. Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử. Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử. Trong chất cách điện rất hiếm các điện tử tự do.
8.1.2.3.CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR)
Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt. Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon). Hợp chất bán dẫn như là: Gallinium Asernide. Với các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shell hóa trị .
8.1.3.DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS):
Với shell hóa trị của nguyên tử biểu diễn mức của dãy năng lượng dùng kềm giữ các điện tử hóa trị trên shell hóa trị. Mức năng lượng này được gọi là dãy hóa trị (valence band).
Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat khỏi shell hóa trị trở thành điện tử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy dẫn (conduction band) xem hình H8.4. Khoảng chênh lệch năng lượng giữa dãy hóa trị và dãy dẫn được gọi là khe năng lượng (energy gap). Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượng để đến dãy dẫn, điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác.
HÌNH H 8.3
HÌNH H 8.4
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
Trong hình H8.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau:
Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu.
Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện. Khi khe năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do.
Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn có rất nhiều điện tử tụ do.
8.1.4.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:
Trong hình H8.5 trình bày nguyên tử của đồng là chất dẫn điện và nguyên tử Silicon của chất bán dẫn.
Phần lõi của nguyên tử Silicon có điện tích tổng là +4 (14 ptotons và 10 electrons).
Phần lõi của nguyên tử đồng có điện tích tổng là +1 (29 protons và 28 electrons).
Phần lõi là vật thể đã loại trừ các điện tử hóa trị.
Điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng
“cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +1 của phần lõi nguyên tử, trong khi điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon “cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +4 từ phần lõi nguyên tử. Ta nói lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon gấp 4 lần lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng. Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn so với năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử silicon.Từ các nhận xét trên cho thấy điện tử hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon.
Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều điện tử tự do.
HÌNH H 8.5
HÌNH H 8.6
4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng
8.1.5.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM:
Trong hình H8.6. trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium.
Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC – intergrated circuit) . Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa trị ( 4 điện tử hóa trị).
Tuy nhiên các điện tử hóa trị của Germanium ở lớp shell thứ 4 trong khi các điện tử hóa trị của Silicon ở lớp shell thứ 3 gần nhân hơn. Điều này cho thấy khả năng hấp thu năng lượng để trở thành điện tử tự do của các điện tử hóa trị trong nguyên tử Germanium dễ dàng hơn các điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon. Do tính chất này Germanium thường không ổn định tại nhiệt độ cao , đây là lý do cơ bản khiến Silicon được dùng rộng rãi hơn . 8.1.6.NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS):
Khi các nguyên tử tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự sắp xếp theo mô hình đối xứng. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối kết với nhau bằng nối cộng hóa trị, kết nối này được hình thành do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các nguyên tử. Silicon là loại vật liệu tinh thể (crystalline material). Trong hình H8.7 trình bày cấu trúc của tinh thể Silicon tạo bởi các nguyên tử Silicon.
Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận hình thành 4 nối cộng hóa trị.
Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng hóa học. Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4 nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal) không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.8.8. Tinh thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng.
8.1.8.TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN:
Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử.
Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng.
Trong hình H8.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử).
HÌNH H 8.7
HÌNH H8.8
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0o Kelvin.
8.1.8.1.TÍNH DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG:
Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do. Các điện tử tự do được gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons). Sự kiện này được trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram) và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) trong hình H8.10.
Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể. Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole). Với mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H8.10.
Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách ngẩu nhiên, xem hình H8.11.
8.1.8.2.DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG:
Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem hình H.8.12. , các điện tử tự do trong dãy dẫn sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực dương (+) của nguồn áp cung cấp.
HÌNH H8.9
HÌNH H8.10
HÌNH H8.11
Sự chuyển động của các điện tử tự do trong tinh thể bán dẫn hình thành một loại dòng điện qua chất bán dẫn được gọi là dòng điện tạo bởi các điện tử (electron current).
Một loại dòng điện khác xuất hiện trong dãy hóa trị khi lỗ trống được sinh ra . Các điện tử còn lại trong dãy hóa trị vẫn còn liên kết với các nguyên tử của chúng và không thể di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể như các điện tử tụ do. Tuy nhiên, điện tử hóa trị có thể di chuyển đến các lổ trống lân cận với sự thay đổi rất ít năng lượng của nó và tạo thành lổ trống khác khi điện tử hóa trị này di chuyển. Như vậy lỗ trống xem như di chuyển một cách thực sự từ vị trí này sang vị trí khác trong tinh thể chất bán dẫn. Sự di chuyển của các lổ trống hình thành dòng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H..8.13.
8.1.9.BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P:
Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số lượng rất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị. Silicon thuần khiết (hay germanium) phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích.
Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết. Có hai loại vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.
Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách kiểm soát tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn thuần khiết. Phương thức này gọi là phụ gia làm tăng các hạt tải : điện tử hay lổ trống.
HÌNH H8.12
HÌNH H8.13
Điện tử tự do rời lổ trống trong shell hóa trị Điện tử hóa trị di
chuyển đến lổ trống thứ 1 và tạo lổ trống thứ 2 Điện tử hóa trị di chuyển
đến lổ trống thứ 2 và tạo lổ trống thứ 3
Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 3 và tạo lổ trống thứ 4 Điện tử hóa trị di
chuyển đến lổ trống thứ 4 và tạo lổ trống thứ 5
Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 5 và tạo lổ trống thứ 6
Khi điện tử hóa trị di chuyển từ trái sang phải lắp đầy lổ trống và tạo ra lổ trống khác, thì lổ trống xem như di chuyển ngược lại từ phải sang trái. Mủi tên màu xám chỉ hướng chuyển động thực sự của các lổ trống.
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 8.1.9.1.BÁN DẪN LOẠI N:
Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 5 được thêm vào. Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) và Sb (antimony).
Trong hình H8.14 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận. Bốn điện tử hóa trị của Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên từ Si và một điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ do không liên kết với các nguyên tử. Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi là nguyên tử cho (donor atom).
Số lượng điện tử tự do được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào.
HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS)
Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lổ trống trong dãy hóa trị. Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫn loại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử.
Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải đa (majority carriers) trong bán dẫn loại n. Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng có một số lổ trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt. Các lổ trống này không được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5. Lổ trống trong chất bán dẫn n được gọi là hạt tải thiểu (minority carriers).
8.1.9.2.BÁN DẪN LOẠI N:
Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 được thêm vào.
Các nguyên tử có 3 điện tử hóa trị chẳng hạn như : B (boron); In (indium) và Ga (gallium).
Trong hình H8.15 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử B với 4 nguyên tử Si lân cận. Ba điện tử hóa trị của B dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ trống. Nguyên tử có hóa trị 3 có thể lấy thêm một điện tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom).
Số lượng lỗ trống được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo bởi phương thức trên không đi cùng với điện tử tụ do.
HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS)
Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p.
Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi một điện tử, điện tích toàn phần của nguyên tử mang giá trị dương. Lổ trống xem là hạt tải đa trong bán dẫn loại p. Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một số điện tử tự do sinh ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài. Các điện tử tự do này không được tạo do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3. Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu.
HÌNH H8.14
HÌNH H8.15