Bài giảng kỹ thuật điện tử chương 8 ĐHBK

KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 257 CHƯƠNG 08 DIODE VÀ CÁCMẠCHỨNGDỤNG 8.1.TÔN ̉ G QUAN VỀ CHẤT BA N ́ DẪN: 8.1.1.TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử thành phần nhỏ phần tử cịn trì đặc tính phần tử Mẫu ngun tử theo Borh bao gồm: nhân chứa hạt mang điện tích dương gọi proton hạt mang điện tích âm electron chuyển động quỉ đạo bao quanh nhân Với nguyên tử khác loại số lượng electron proton nguyên tử có giá trị khác nhau, xem hình H8.1 Các nguyên tử xếp thứ tự bảng phân loại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic number) Nguyên tử số xác định theo số lượng proton chứa nhân Trong điều kiện bình thường nguyên tử trạng thái trung hịa, ngun tử có số lượng electron proton HÌNH H 8.1 Các điện tử chuyển động tầng quỉ đạo quanh nhân với khoảng cách khác Mỗi tầng quỉ đạo điện tử tương ứng với mức lượng khác Quỉ đạo điện tử gần nhân điện tử có mức lượng thấp quỉ đạo xa nhân mức lượng điện tử cao Trong nguyên tử quỉ đạo ghép thành nhóm băng lượng (energy bands) gọi shell Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố định Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định mức lượng cho phép Mức lượng chênh lệch quỉ đạo shell phải nhỏ mức lượng chênh lệch hai shell kế cận Các shell đánh số thứ tự 1, , từ nhân ngồi , xem hình H 8.2 Các điện tử xa nhân có mức lượng cao liên kết chặt với nguyên tử so với điện tử nằm gần nhân Lớp shell nằm gọi valence shell (lớp vỏ hóa trị) điện tử tầng gọi điện tử hóa trị Các điện tử hóa trị tham gia vào phản ứng hóa học, kết nối cấu trúc vật liệu tính chất điện vật liệu Khi nguyên tử hấp thu nhiệt hay quang năng, HÌNH H 8.2 lượng điện tử gia tăng Các điện tử hóa trị có khả nhảy đến tầng quỉ đạo có mức lượng cao shell hóa trị Khi điện tử hóa trị hấp thụ lượng ngồi đủ để khỏi lớp shell nguyên tử, nguyên tử mang điện tích dương số lượng proton nhiều lượng electron Quá trình điện tử hóa trị gọi ion hóa nguyên tử gọi ion dương Các điện tử hóa trị khỏi ngun tử gọi electron tự Khi electron hóa trị lượng trở tầng quỉ đạo shell ngồi ngun tử trung hịa cho ta ion âm Tổng số lượng điện tử tối đa shell nguyên tử xác định theo quan hệ: Ne 2n2 (8.1) Trong đó, số thứ tự shell tính từ nhân phía ngồi Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 258 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8.1.2.CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Tất vật liệu tạo thành từ nguyên tử Những nguyên tử có liên quan đến đặc tính điện bao gồm tính dẫn điện vật liệu HÌNH H 8.3 Với mục tiêu khảo sát tính chất điện vật liệu, nguyên tử biểu diễn điện tử hóa trị phần lỏi bao gồm nhân shell bên Carbon loại vật liệu dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm electrons hóa trị shell hóa trị electron tầng cùng, nhân bao gồm protons neutrons Ta nói phần lỏi (core) nguyên tử có tổng điện tích +4 (do protons electrons tạo nên, xem hình H8.3 8.1.2.1.CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR) Chất dẫn điện vật liệu cho phép dòng điện qua cách dễ dàng Các chất dẫn điện tốt vật liệu đơn nguyên tử : đồng, bạc, vàng , nhơm Ngun tử hình thành vật liệu loại nguyên tử có electron hóa trị electron dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron tự Như vật dẫn vật liệu có khả chứa nhiều electrons tự 8.1.2.2.CHẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR) Chất cách điện vật liệu khơng cho dịng điện qua điều kiện bình thường môi trường Hầu hết chất cách điện hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi nguyên tử Trong chất cách điện điện tử tự 8.1.2.3.CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR) Chất cách điện vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện Chất bán dẫn chất dẫn điện tốt chất cách điện tốt Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon) Hợp chất bán dẫn là: Gallinium Asernide Với chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có điện tử hóa trị shell hóa trị 8.1.3.DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS): Với shell hóa trị nguyên tử biểu diễn mức dãy lượng dùng kềm giữ điện tử hóa trị shell hóa trị Mức lượng gọi dãy hóa trị (valence band) Khi điện tử hấp thu đủ lượng để thóat khỏi shell hóa trị trở thành điện tử tự tiếp tục trì trạng thái dãy lượng khác gọi dãy dẫn (conduction band) xem hình H8.4 Khoảng chênh lệch HÌNH H 8.4 lượng dãy hóa trị dãy dẫn gọi khe lượng (energy gap) Khi điện tử hấp thu đủ lượng mức khe lượng để đến dãy dẫn, điện tử di chuyển tự vật liệu không liên kết với nguyên tử khác Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 259 Trong hình H8.4 trình bày giản đồ phân bố lượng vật liệu cho thấy kết sau: Với chất cách điện: khe lượng rộng, điện tử hóa trị khơng thể nhảy đến dãy dẫn trừ có thêm điều kiện phá hủy trạng thái trường hợp đặt điện áp có giá trị cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu Với chất bán dẫn khe lượng hẹp so với trường hợp chất cách điện Khi khe lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị nhảy sang dãy dẫn trở thành điện tử tự Với chất dẫn điện dãy hóa trị dãy dẫn phủ chồng lên nhau, vật dẫn có nhiều điện tử tụ 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 đồng chất dẫn điện nguyên tử Silicon chất bán dẫn Phần lõi ngun tử Silicon có điện tích tổng +4 (14 ptotons 10 electrons) Phần lõi ngun tử đồng có điện tích tổng +1 (29 protons 28 electrons) HÌNH H 8.5 điện tử hóa trị lớp shell ngồi Phần lõi vật thể loại trừ điện tử hóa trị Điện tử hóa trị nguyên tử đồng “cảm nhận” lực hấp dẫn điện tích +1 phần lõi nguyên tử, điện tử hóa trị nguyên tử Silicon “cảm nhận” lực hấp dẫn điện tích +4 từ phần lõi ngun tử Ta nói lực hấp dẫn lên điện tử HÌNH H 8.6 hóa trị nguyên tử Silicon gấp lần lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị nguyên tử đồng Hơn điện tử hóa trị đồng lớp shell thứ điện tử hóa trị Silicon lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị đồng xa nhân so với điện tử hóa trị Silicon nên lượng điện tử hóa trị nguyên tử đồng cao so với lượng điện tử hóa trị nguyên tử silicon.Từ nhận xét cho thấy điện tử hóa trị đồng dễ dàng hấp thu lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự so sánh với điện tử hóa trị nguyên tử Silicon Thực tế điều kiện nhiệt độ mơi trường bình thường bêntrong đồng có chứa nhiều điện tử tự Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 260 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 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 chất bán dẫn Silicon Germanium Silicon chất bán dẫn sử dụng rộng rãi để chế tạo linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC – intergrated circuit) Các nguyên tữ Silicon Germanium có số lượng điện tử hóa trị ( điện tử hóa trị) Tuy nhiên điện tử hóa trị Germanium lớp shell thứ điện tử hóa trị Silicon lớp shell thứ gần nhân Điều cho thấy khả hấp thu lượng để trở thành điện tử tự điện tử hóa trị nguyên tử Germanium dễ dàng điện tử hóa trị ngun tử Silicon Do tính chất Germanium thường không ổn định nhiệt độ cao , lý khiến Silicon dùng rộng rãi 8.1.6.NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS): Khi nguyên tử tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự xếp theo mơ hình đối xứng Các ngun tử cấu trúc tinh thể nối kết với nối cộng hóa trị, kết nối hình thành tương tác điện tử hóa trị nguyên tử Silicon loại vật liệu tinh thể (crystalline material) Trong hình H8.7 trình bày cấu trúc tinh thể Silicon tạo HÌNH H 8.7 nguyên tử Silicon Một nguyên tử Silicon chia xẻ điện tử hóa trị với nguyên tử Silicon khác lân cận hình thành nối cộng hóa trị Sau tầng ngồi ngun tử có đủ điện tử, đạt trạng thái cân hóa học Sự chia xẻ điện tử hóa trị tạo thành nối cộng hóa trị có tính chất liên kết nguyên tử với nhau, tinh thể (intrinsic crystal) không tạp chất (no impurities) silicon tạo nối cộng hóa trị trình bày hình H.8.8 Tinh thể Germanium có kết cấu tương có điện tử hóa trị lớp shell ngồi HÌNH H8.8 8.1.8.TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN: Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử Như trình bày, điện tử ngun tử ổn định dãy lượng định trước Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy lượng cách biệt với shell khác lân cận khe lượng Trong hình H8.9 trình bày giản đồ dãy lượng nguyên tử tinh thể silicon khiết không kích thích (khơng có lượng bên ngồi ánh sáng tác động vào nguyên tử) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 261 Điều kiện xãy nhiệt độ tuyệt đối 0o Kelvin 8.1.8.1.TÍNH DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: Một tinh thể silicon khiết nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự Các điện tử tự gọi điện tử dẫn (conduction electrons) Sự kiện trình bày giản đồ lượng (energy diagram) giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) hình H8.10 Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo khiếm khuyết dãy hóa trị tinh thể Vị trí khiếm khuyết gọi lỗ trống (hole) Với điện tử hấp thu lượng nhảy đến dãy dẫn hình thành lổ trống dãy hóa trị, lúc ta có cặp điện tử lỗ trống, xem hình H8.10 HÌNH H8.9 HÌNH H8.10 Tại nhiệt độ bình thường mơi trường, tinh thể Silicon trình hình thành cặp điện tử tự lổ trống tạo cách ngẩu nhiên, xem hình H8.11 8.1.8.2.DỊNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: Khi cấp điện áp chiều ngang qua hai đầu của tinh thể Silicon, xem hình H.8.12 , điện tử tự dãy dẫn di chuyển tự cách ngẩu nhiên cấu trúc tinh thể dễ dàng phía cực dương (+) nguồn áp cung cấp HÌNH H8.11 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 262 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG Sự chuyển động điện tử tự tinh thể bán dẫn hình thành loại dòng điện qua chất bán dẫn gọi dòng điện tạo điện tử (electron current) Một loại dịng điện khác xuất dãy hóa trị lỗ trống sinh Các điện tử HÌNH H8.12 cịn lại dãy hóa trị liên kết với nguyên tử chúng di chuyển tự cách ngẩu nhiên cấu trúc tinh thể điện tử tụ Tuy nhiên, điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống lân cận với thay đổi lượng tạo thành lổ trống khác điện tử hóa trị di chuyển Như lỗ trống xem di chuyển cách thực từ vị trí sang vị trí khác tinh thể chất bán dẫn Sự di chuyển lổ trống hình thành dịng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H 8.13 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ tạo lổ trống thứ Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ tạo lổ trống thứ Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ tạo lổ trống thứ Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ tạo lổ trống thứ Điện tử tự rời lổ trống shell hóa trị Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ tạo lổ trống thứ Khi điện tử hóa trị di chuyển từ trái sang phải lắp đầy lổ trống tạo lổ trống khác, lổ trống xem di chuyển ngược lại từ phải sang trái Mủi tên màu xám hướng chuyển động thực lổ trống HÌNH H8.13 8.1.9.BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P: Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt có giới hạn trạng thái khiết, số lượng điện tử tự dãy dẫn lỗ trống dãy hóa trị Silicon khiết (hay germanium) phải cải thiện cách gia tăng lượng điện tử tự hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành linh kiện điện tử hữu ích Cơng việc thực cách thêm tạp chất vào vật liệu khiết Có hai loại vật liệu bán dẫn khơng khiết (extrinsic semiconductor) bán dẫn loại n bán dẫn loại p Tính dẫn silicon germanium gia tăng cách mạnh mẽ cách kiểm soát tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn khiết Phương thức gọi phụ gia làm tăng hạt tải : điện tử hay lổ trống Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 263 8.1.9.1.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng điện tử dãy dẫn silicon khiết, nguyên tử có hóa trị thêm vào Các nguyên tử có điện tử hóa trị chẳng hạn : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) Sb (antimony) Trong hình H8.14 trình bày liên kết cộng hóa trị nguyên tử Sb với nguyên tử Si lân cận Bốn điện tử hóa trị Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với nguyên từ Si điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ không liên kết với nguyên tử Nguyên tử có hóa trị dùng làm tăng điện tử tự gọi nguyên tử cho (donor atom) HÌNH H8.14 Số lượng điện tử tự kiểm soát số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Phương pháp tạo điện tử tự theo phương thức khơng hình thành lổ trống dãy hóa trị Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị gọi bán dẫn loại n dòng tải tạo nên điện tử Trong trường hợp điện tử gọi hạt tải đa (majority carriers) bán dẫn loại n Mặc dù dòng tải chủ yếu điện tử có số lổ trống tạo có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị tác dụng nhiệt Các lổ trống không tạo thành thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị Lổ trống chất bán dẫn n gọi hạt tải thiểu (minority carriers) 8.1.9.2.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng lổ trống bán dẫn silicon khiết, nguyên tử có hóa trị thêm vào Các nguyên tử có điện tử hóa trị chẳng hạn : B (boron); In (indium) Ga (gallium) Trong hình H8.15 trình bày liên kết cộng hóa trị nguyên tử B với nguyên tử Si lân cận Ba điện tử hóa trị B dùng tạo nối cộng hóa trị với nguyên tử Si thiếu điện tử nên tạo thành lỗ trống Nguyên tử có hóa trị lấy thêm điện tử nên gọi nguyên tử nhận (acceptor atom) Số lượng lỗ trống kiểm soát số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào lỗ trống tạo phương thức không với điện tử tụ HÌNH H8.15 HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Dòng điện tải trường hợp lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri cho bán dẫn loại p Lỗ trống hiểu điện tích dương; ngun tử thiếu điện tử, điện tích tồn phần ngun tử mang giá trị dương Lổ trống xem hạt tải đa bán dẫn loại p Mặc dù dòng dẫn bán dẫn p chủ yếu lỗ trống, có số điện tử tự sinh có tác động nguồn nhiệt bên ngồi Các điện tử tự khơng tạo thêm vào tạp chất nguyên tử hóa trị Điện tử chất bán dẫn p hạt tải thiểu Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 264 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8.2.DIODE: 8.2.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CẤU TẠO: Bán dẫn p Tiếp giáp pn Bán dẫn n Khi tạo thành mối nối pn khối bán dẫn loại n khối bán dẫn p ta có diode Diode linh kiện bán dẫn cho phép dịng điện qua theo hướng định trước Trong hình H8.16 trình bày cấu tạo mối nối pn, vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) có vài điện tử tử (hạt tải thiểu) sinh tác dụng nhiệt Lổ trống Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự (hạt tải đa) số lỗ trống (hat tải thiểu) Điện tử tự HÌNH H8.16 Như trình bày mục trên, bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất nguyên tử có hóa trị boron Các lỗ trống hình thành có nối cộng hóa trị nguyên tử boron nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton tổng số điện tử vật liệu; nên vật liệu có tính trung hịa điện Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất nguyên tử có hóa trị antimony Các điện tử hình thành có nối cộng hóa trị nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton tổng số điện tử (bao gồm điện tử tự do) vật liệu; nên vật liệu có tính trung hịa điện 8.2.2.VÙNG NGHÈO (DEPLETION REGION): Với cấu tạo mối nối pn hình H8.16, điện tử tự vùng n di chuyển cách ngẫu nhiên theo hướng Khi tạo thành mối nối pn, điện tử tự gần mối nối vùng n bắt đầu khuếch tán sang vùng p, dây chúng tái hợp với lỗ trống gần mối nối, xem hình H.8.17 Tiếp giáp pn Vùng nghèo (deplete region) Điện rào cản (Barrier Voltage) a./ Tại lúc hình thành mối nối pn, điện tử tự vùng n bắt đầu khuếch tán sang mối nối tái hợp với lỗ trống năm gần mối nối vùng p HÌNH H8.17 b./ Với điện tử tự đo khuếch tán sáng mối nối tái hợp với lổ trống, điện tích dương để lại vùng n điện tích âm hình thành vùng p Các điện tích tạo thành điện rào cản Tác động diển tiến tiếp tục điện rào cản ngăn q trình khuếch tán HÌNH H8.18 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 265 Khi hình thành mối nối pn, vùng n điện tử khuếch tán sang mối nối Sự kiện sinh lớp điện tích dương gần mối nối Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p lổ trống tái hợp Sự kiện sinh lớp điện tích âm gần mối nối Hai lớp điện tích dương âm tạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình H8.17 Danh từ “nghèo” sử dụng cho vùnbg gần tiếp giáp pn thiết hụt hạt tải tùy thuộc vào trình khuếch tán mối nối Cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành nhanh có độ dầy mỏng so với độ dầy lớp bán dẫn p n Quá trình khuếch tán chấm dứt vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản điện tử qua mối nối 8.2.3.ĐIỆN THẾ RÀO CẢN (BARRIER POTENTIAL): Tại lúc có điện tích dương điện tích âm đặt gần có lực tương tác điện tích theo luật Coulomb Trong vùng nghèo có nhiều điện tích dương điện tích âm xếp đối diện tiếp giáp pn Lực tương tác điện tích trái dấu hình thành điện trường, xem hình H8.18 Điện trường có khuynh hướng ngăn cản điện tử tự vùng n vượt qua tiếp giáp pn mức lượng phải dùng đến để di chuyển điện tử qua khỏi vùng nghèo Như cần cấp lượng để điện tử di chuyển ngang qua vùng có điện trường rào cản vùng nghèo Điện chênh lệch tạo điện trường ngang qua vùng nghèo lượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự qua khỏ điện trường rào cản Điện chênh lệch gọi điện rào cản tính Volt Nói cách khác,cần lượng điện áp điện rào cản vàcó cực tính tương ứng đặt ngang qua tiếp giáp pn trước điện tữ tụ hình thành dịng ngang qua mối nối Q trình gọi phân cực Điện rảo cản phụ thuộc vào số hệ số bao gồm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng tạp chất nhiệt độ Với Silicon điện rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V với Germanium điện rào cản có giá trị khoảng 0,3 V nhiệt độ môi trường 25oC 8.2.4.GIẢN ĐỔ NĂNG LƯỢNG TẠI MỐI NỐI PN VÀ VÙNG NGHÈO Hạt tải thiểu Hạt tải đa Dãy dẫn Dãy dẫn Dãy hoá trị Dãy hoá trị Hạt tải đa Hạt tải thiểu Vùng nghèo a./ Tại lúc hình thành tiếp giáp pn b./ Tại trạng thái cân HÌNH H8.19 Các dãy hóa trị dãy dẫn vật liệu n có mức lượng thấp so với mức lượng dảy hóa trị dãy dẫn vật liệu p Điều khác biệt tính chất nguyên tử nguyên tử tạp chất hóa trị hóa trị tạo nên Giản đồ phân bố lượng mối nối pn trình bày hình H8.19 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 266 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG Các điện tử tự chất n choán đầy vùng dãy dẫn mức lượng đủ để khuếch tán dễ dàng qua mối nối, điện tử khơng cần tích lủy thêm lượng Sau khuếch tán qua mối nối, điện tử thải nhanh chóng lượng rơi vào lỗ trống vùng p dãy hóa trị (xem hình H8.19 a) Khi khuếch tán diển tiến tiếp tục bắt đầu tạo thành vùng nghèo, mức lượng dãy dẫn vật liệu n giảm dần Sự giảm thấp mức lượng dãy dẫn vật liệu n tùy thuộc lượng thải điện tử tự thực trình tái hợp chúng khuếch tán sang vật liệu p Khi khơng cịn điện tử tự rời khởi dãy dẫn vùng n sang mối nối pn mực dãy dẫn vùng n mực dãy dẫn vùng p thẳng hàng với Tại lúc mối nối đạt trạng thái cân vùng nghèo hình thành Ngang qua vùng nghèo có mức chênh lệch lượng tác động đồi lượng ( “energy hill”) ngăn cản điện tử tự vùng n leo sang vùng p Cần ý mức lượng dãy dẫn vùng n hạ thấp mức lượng dãy hóa trị giảm thấp 8.2.5.PHÂN CỰC DIODE: 8.2.5.1.PHÂN CỰC THUẬN: Phân cực diode cấp điện áp chiều (DC) ngang qua hai đầu diode Phân cực thuận phân cực tạo điều kiện thuận lợi cho dòng ngang qua mối nối pn Điện áp phân cực ký hiệu VBIAS , cần nối tiếp diode với điện trở ngồi để giới hạn dịng có giá trị lớn qua diode, làm hỏng mối nối pn HÌNH H8.20 Khi phân cực thuận, cần nhớ: Đầu (-) nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn n diode Đầu (+) nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn p diode Giá trị điện áp VBIAS phải lớn giá trị điện rào cản HÌNH H8.21 Hình H8.21 trình bày q trình hình thành dịng qua diode lúc phân cực thuận Quá trình hình dung trình đẩy điện tử tử hạt tải từ vùng n qua mối nối pn đến vùng p Vì nguồn áp phân cực cấp liên tục, trì dịng điện tử qua mạch sau qua vùng p Như trình bày mục trên, sau điện tử đến vùng p thải bớt lượng rơi vào dãy hóa trị vùng p, dãy lỗ trống hạt tải đa Lúc q trình tái hợp khơng diễn tác dụng cực (+) nguồn áp VBIAS có khuynh hướng tác động kéo điện tử phía nguồn Các lổ trống vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way) để điện tử hóa trị ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống sang lỗ trống để đến cực dương cũa nguồn áp phân cực Chúng ta xem lổ trống làm thành phương tiện để điện tử ngang qua vùng p Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 292 VL tiến tới giá trị Vin max Khi điện áp tải lọc phẳng, với hệ số nhấp nhô tải thấp 10% Tnạp