Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p n và ứng dụng lớp chuyển tiếp p n trong kĩ thuật điện tử

Trờng Đại học Vinh Khoa vật lý ======== Hoàng thị thơng Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p - n ứng dụng lớp chuyển tiếp p - n kỹ thuật điện tử Khoá luận tốt nghiệp ====Vinh, 2006=== Trờng Đại học Vinh Khoa vật lý ======== Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p - n ứng dụng lớp chuyển tiếp p - n kỹ thuật điện tử Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành điện tử viễn thông Giáo viên hớng dẫn: TS Nguyễn Hoa L Sinh viên thực hiện: Hoàng Thị Thơng Lớp: 42E - Khoa Vật lý ====Vinh, 2006=== Mở đầu Hiện dụng cụ bán dẫn đợc sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử So với dụng cụ điện tử chân không (đèn điện tử) Dụng cụ bán dẫn có u điểm bật: kích thớc, trọng lợng nhỏ nhẹ, độ tin cậy cao, tiêu thụ lợng ít, giá thành hạ Cùng với phát triển khoa học - công nghệ, dựa vào u điểm bật điốt bán dẫn nghiên cứu chất bán dẫn Gecmani Silic Nhờ đó, năm1948 hai nhà khoa học Johr Badeen Waler Brattain tìm hiệu ứng Tranzito Còn W.Shockley tìm lý thuyết rào p - n thuyết hoạt động Tranzito Từ đó, đặt móng cho ngành khoa học - kỹ thuật mới, ngành điện tử dụng cụ bán dẫn, thay cho dụng cụ chân không Ngày thuật ngữ "dụng cụ bán dẫn" dùng để tất dụng cụ điện tử đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Ví dụ nh Tranzito, điốt bán dẫn, Tranzito hiệu ứng trờng , Tranzito chuyển tiếp, varisto, varicap, laser bán dẫn Trên sở đó, vận dụng để chế tạo dụng cụ khác nh điện trở, điện dung, dây dẫn Có kích thớc nhỏ đợc ứng dụng mạch tổ hợp hay mạch IC Qua cho thấy linh kiện điện tử đợc thiết kế - chế tạo sở hiệu ứng vật lý lớp chuyển tiếp p - n Vì thế, đề tài này, ta "Nghiên cứu lớp chuyển tiếp p - n ứng dụng chuyển tiếp p - n kỹ thuật điện tử" Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, đề tài tập trung nghiên cứu sở vật lý hình thành lớp chuyển tiếp p - n ứng dụng kỹ thuật điện tử Ngoài phần mở đầu, kết luận luận văn đợc trình bày chơng: Chơng I: Cơ sở vật lý bán dẫn Chơng II: Chuyển tiếp p - n Chơng III: Một số ứng dụng lớp chuyển tiếp p - n Đề trình bày đề tài nghiên cứu cho chặt chẽ súc tích việc khó tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp, đạo thầy, cô giáo bạn sinh viên để nội dung luân văn đợc hoàn thiện Tôi bày tỏ lòng cảm ơn tới Ban chủ nhiệm khoa Vật lý thầy, cô giáo tạo điều kiện thuận lợi trình học tập nghiên cứu Đặc biệt xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Hoa L - ngời tận tình hớng dẫn giúp đỡ kiến thức - phơng pháp để thực tốt khoá luận Vinh, tháng 05 năm 2006 Sinh viên Hoàng Thị Thơng Chơng I Cơ sở vật lý bán dẫn Vật lý bán dẫn nghiên cứu tợng vật lý xảy bán dẫn có dòng điện chạy qua Dới điều kiện khác nhau, hiệu ứng vật lý xảy chất bán dẫn khác ứng dụng hiệu ứng vào chế tạo dụng cụ bán dẫn kỹ thuật điện tử Dụng cụ bán dẫn đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn loại vật liệu điều kiện định trở thành dẫn điện, điều kiện khác lại cách điện Về đặc tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn có điện trở suất nhỏ vật liệu cách điện (điện môi) Nhng lại lớn vật liệu dẫn điện (kim loại) Đặc điểm bật vật liệu bán dẫn điện trở suất giảm nhiệt độ tăng Mỗi loại vật liệu bán dẫn có nhiệt độ giới hạn nhiệt độ thấp hơn, điện trở suất bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Vật liệu bán dẫn đơn chất hay hợp chất hai hay nhiều nguyên tố Nói chung vật liêu bán dẫn vật rắn kết tinh, có cấu trúc mạng tinh thể 1.1 Lý thuyết vùng lợng chất rắn Ta biết chất rắn chất bán dẫn có độ dẫn điện điện môi lý tởng 0K, nhng lại có khả dẫn điện nhiệt độ phòng Thật vậy, điện trở suất chất bán dẫn Silic siêu tinh khiết 2.10 cm Trong lúc bán dẫn đồng 1,6.10-6.cm mica 1017.cm Để giải thích đặc điểm này, ta dựa vào lý thuyết vùng lợng nh sau: Đối với nguyên tử đứng cô lập cấu trúc lợng có dạng mức rời rạc Khi đa nguyên tử xích lại gần Do tơng tác, mức bị suy biến thành dải gồm nhiều mức sát đợc gọi vùng lợng Tuỳ theo tình trạng mức lợng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, ngời ta phân biệt ba loại vùng lợng khác nhau: Vùng dẫn (vùng trống) nằm phía cùng, mức lợng bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần, điện tử định xứ điện tử tự do, chúng tham gia trình tải điện Vùng cấm nằm sát dới vùng dẫn mà không tồn mức lợng để điện tử chiếm chổ Độ rộng vùng cấm xác định lợng cần thiết để điện tử bứt khỏi liên kết hoá học tham gia vào trình tải điện Độ rộng vùng cấm lớn độ dẫn điện Vùng hoá trị (vùng đầy) sát dới vùng cấm, tất mức lợng bị chiếm chỗ, không mức lợng tự Do đó, mà ta có giản đồ mô tả vùng lợng nh hình vẽ: W (năng lợng điện tử) Vùng dẫn Ec Eg vùng cấm Ev Vùng hoá trị Trên hình 1.1 Thì Ec đáy vùng dẫn, Ev đỉnh Hình 1.1 Giản đồ vùng lợng chất rắn vùng hoá trị Khoảng đáy vùng dẫn đỉnh vùng hoá trị gọi vùng cấm có độ rộng Eg Dựa vào cấu trúc vùng lợng hình 1.1 xét loại chất rắn nh : kim loại, điện môi bán dẫn 1.1.1 Kim loại Trong kim loại điện tử hoá trị điện tử tự chúng tạo thành đám mây điện tử sắn sàng di chuyển dới tác dụng điện trờng Hai vùng lợng vùng hoá trị vùng dẫn chúng phủ lên W Vùng dẫn Vùng hoá trị đồ vùng năngnăng lợng lợng kim Nh thấyHình trên1.2 hìnhGiản 1.2 giản đồ vùng củaloại kim loại vùng cấm ngăn cách vùng dẫn vùng hoá trị Cho nên điện tử chuyển từ mức cao đến mức cao mà không cần lợng kích thích điện tử nằm vùng dẫn Vì vậy, mà kim loại dẫn điện tốt Trong kỹ thuật vi điện W tử ngời ta thờng dùng kim loại làm dây dẫn điện 1.1.2 Chất điện môi (chất cách điện) Vùng dẫn Đối với chất điện môi điện tử hoá trị tạo liên kết chặt Ec nguyên tử cạnh Các cặp liên kết khó bị phá vỡ Bởi vậy, : Vùng cấm Theo quan điểm mà chúng điện tử tự để sẵn E sàng dẫn điện g Ev Vùng hoá trị Hình 1.3: Giản đồ vùng lợng chất điện môi lý thuyết vùng lợng tồn vùng cấm đủ lớn vùng hoá trị vùng dẫn Trên hình 1.3 ta thấy tất mức lợng vùng hoá trị bị chiếm điện tử Còn mức lợng vùng dẫn bị trống điện trờng yếu nên chuyển điện tử vùng hoá trị lên vùng dẫn đợc Đồng thời truyền hết lợng cho điện tử Do đó, chất điện môi trờng hợp không tham gia vào trình dẫn điện Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử ngời ta thờng dùng điện môi làm chất cách điện 1.1.3 Chất bán dẫn Trờng hợp chất bán dẫn liên kết nguyên tử cạnh không chặt Bởi vậy, dới tác dụng điện trờng tăng nhiệt độ, số liên kết bị phá vỡ 0K Và liên kết bị phá vỡ điện tử tự tạo thành, có khả tham gia dẫn điện Ngời ta gọi điện tử điện tử dẫn W Ec Vùng dẫn N3 Ev Vùng hoá trị Từ hình 1.4 cấu trúc vùng lợng chất bán dẫn ta thấy: Khi liên kết bị phá vỡ điện tử đợc giải phóng để lại vị trí lỗ Hình 1.4: Giản đồ vùng lợng bán dẫn trống Các điện tử hoá trị khác lân cận nhảy vào chiếm chỗ lỗ trống tham gia vào dẫn điện Trên hình 1.3 1.4 cấu trúc vùng lợng bán dẫn điện môi nhiệt độ 0K có dạng giống Vùng hoá trị chúng bị chiếm đầy hoàn toàn, vùng dẫn bỏ trống hoàn toàn Giữa hai vùng tồn vùng cấm Sự khác bán dẫn điện môi chỗ độ rộng vùng cấm bán dẫn nhỏ điện môi (thờng vật liệu bán dẫn có đội rộng vùng cấm nhỏ 2ev) 1.2 Bán dẫn Bán dẫn hay bán dẫn loại bán dẫn hoàn toàn nguyên tử lạ Nói cách khác bán dẫn loại bán dẫn không pha tạp chất Đối với bán dẫn thuần, nhiệt độ lớn 0K thu nhận đợc lợng nhiệt, số điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, sẵn sàng tham gia dẫn điện Khi ấy, vùng hoá trị thiếu hụt điện tử nên xuất mức lợng bỏ trống Điều đa tới dẫn điện vùng hoá trị Những điểm thiếu hụt điện tử vùng hoá trị xem nh tồn điện tích dơng gọi lỗ trống Sự dẫn điện vùng hoá trị lỗ trống gây Trong bán dẫn thuần, điện tử lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện Điện tử lỗ trống đợc gọi chung hạt dẫn Do đó, nồng độ điện tử lỗ trống bán dân nhau, ngời ta ký hiệu nộng độ điện tử n, nồng độ lỗ trống p, nồng độ hạt tải điện bán dẫn ni ta xét hai bán dẫn điển hình Gecmani Silic thuộc nhóm IV bảng tuần hoàn Mendeleep W Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị Hình 1.5 Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Hình 1.6 Đồ thị vùng giải thích có Gecmani thuần: chế phát cặpGecmani hạt dẫn tự Trêntửhình trìnhtrong bày vùng giản đồ bán dẫn Điện lỗ1.5 trống hoámạng trị chiều điện tử trongcó vùng dẫn (Silic dạng tơng tự) Có thể tóm tắt mô tả cấu tạo nh sau: Mỗi nguyên tử có bốn điện tử hoá trị góp chung với bốn nguyên tử bên cạch để tạo thành mối liên kết đồng hoá trị Lực liên kết tác dụng lên điện tử hoá trị tơng đối lớn Trong trờng hợp này, điện tử hoá trị nhận đợc lợng từ bên (nhiệt độ ánh sáng) hay Građien nồng độ đủ lớn tách khỏi mối liên kết trở thành điện tử tự nhảy lên vùng dẫn, đồng thời tạo lỗ trống vùng hoá trị Quá trình gọi trình phát xạ cặp điện tử - lỗ trống Nh vậy, bán dẫn hạt dẫn đợc tạo chủ yếu trình hình thành cặp điện tử - lỗ trống 1.3 Chất bán dẫn loại n Nếu nh vị trí nút mạng tinh thể Gecmani thuần, ta thay vào nguyên tử nguyên tố nhóm V Chẳng hạn nh Phốtpho, As, Sb, bốn điện tử hoá trị nguyên tử Phốtpho đủ điền vào mối liên kết với mạng Gecmani, điện tử hoá trị thứ Phốtpho không tham gia vào liên kết mạng Nó trở thành điện tử tự Hiện tợng đợc minh hoạ hình vẽ 1.7 W Ge Ge Ge P Ge Ge Ge Ge Ge Vùng dẫn Mức dono Vùng hoá trị Hình 1.7 Giản đồ mạng tinh thể Gecmani Hình Giản lợng Những tạp có chất thuộc nhómnhóm V kểV(P) đợc gọi là1.8 donor hayđồtạpvùng chất cho pha tạp chất Donor ion chất hoá vào bán dẫn chúng bịbán điện tử Khi pha cácbị tạp iondẫn hoán với trở mức thànhdonor Điện tử vùng dẫn ion dơng cho điện tử tự Bán dẫn đợc pha tạp chất donor gọi bán dẫn loại n Số lợng điện tử tự bán dẫn loại n nhiều hẳn số lỗ trống, vậy, trờng hợp gọi điện tử hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện bán dẫn loại n điện tử định Việc làm sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Gecmani tạp chất donor tơng ứng với việc làm xuất vùng cấm bán dẫn mức lợng cục nằm sát đáy vùng dẫn nh hình 1.8 Những mức lợng gọi mức donor Eđ Nh thấy hình 1.8 khoảng cách từ đáy vùng dẫn đến mức donor nhỏ nhiều so với độ rộng vùng cấm Bởi vậy, lợng cần thiết để điện tử nhảy từ mức donor lên vùng dẫn (năng lơng ion hoá) nhỏ nhiều lần so với lợng cần thiết đa điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Điều chứng tỏ bán dẫn loại n thành phần dòng điện chủ yếu điện tử 1.4 Chất bán dẫn loại p Nếu pha vào bán dẫn Gecmani tạp chất thuộc nhóm III bảng tuần hoàn Mendeleep, ví dụ nh In, Ga, B, Al Khi tạp chất có hoá trị III để tạo thành mối liên kết với mạng Gecmani chúng phải lấy điện tử hoá trị mối liên kết khác mạng để điền vào cho đủ Kết dẫn tới mạng tinh thể xuất điểm tích điện dơng Những điểm tích điện dơng thay đổi vị trí tơng đối chúng Nh nói lỗ trống Hiện tợng đợc minh hoạ hình vẽ 1.9 W Ge Ge Ge Ge In Ge Vùng dẫn Mức acxepto Ge Ge Ge Vùng hoá trị Các tạp chất thuộc nhóm III gọi acxepto (tạp chất bắt điện Hìnhpha 1.9.các Giản đồ mạng Hình 1.10 Giản vùngnhững ion l tử) Khi acxepto vàotinh bán thể dẫn, chúng bị ion hoá trở đồ thành Ge pha tạp chất nhóm III (In) ợng bán dẫn loại p với mức âm làm xuất tinh thể bán dẫn lỗ trống Bán dẫn đợc pha Acxepto bị ion hoá Acxepto Lỗ trốngtrong vùng hoá trị tạp chất acxepto, gọi bán dẫn loại p Trong bán dẫn loại p nh phân tích, số lợng lỗ trống nhiều nhiều so với điện tử Bởi vậy, bán dẫn lỗ trống hạt dẫn đa số điện tử hạt dẫn thiểu số Hay nồng độ lỗ trống lớn nồng độ điện tử Vậy tính dẫn điện bán dẫn loại p lỗ trống định Cũng tơng tự nh bán dẫn loại n, giản đồ vùng lợng bán dẫn loại p có dạng nh hình 1.10 Mức lợng acxepto Ea nằm gần đỉnh vùng hoá trị, cần lợng nhỏ (năng lợng ion hoá) làm cho điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên mức acxeptio, làm cho nguyên tử tập chất ion hoá trở thành ion âm, đồng thời làm xuất lỗ trống vùng hoá trị Thông thờng nhiệt độ phòng, nh donor, acxepto bị ion hoá hoàn toàn Do đó, thành phần dẫn điện bán dẫn loại p chủ yếu lỗ trống 1.5 Nồng độ hạt dẫn vị trí mức Fecmi bán dẫn Đặc tính điện bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tích điện bán dẫn, nói cụ thể phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt dẫn Để Dòng điện cực tiểu: Istmin giá trị dòng điện mà có ổn định giá trị điện áp 3.Trở kháng động Rđ đợc xác định độ dốc đặc tính tuyến tĩnh điểm công tác: u (3.4) I 4.Trở kháng tĩnh Rt tỷ số điện áp dòng điện điốt ổn áp tải điểm công tác: Rd = u (3.5) I Hệ số chất lợng Q hệ số ổn định: Rt = Q= Rd Rt (3.6) Hệ số nhiệt điện áp ổn định: Tcr = Ust U st U st T (3.7) U anốt D catốt IC anốt D catốt Ist b) IM a) Hình 3.5 Điốt ổn áp thực đợc sản xuất với giá trị Ust khác Tức a Đặc tínhtếvôn-ampe Kýhơn hiệunữa mạch điôt ổn áp cỡ 3V đến 200V vàb.lớn Ví dụ: ứng dụng điốt ổn áp mạch ổn định điện áp Giả sử điện áp vào UV tăng dòng qua điốt Istmin hay điện áp qua điện trở R tăng nên R + điện áp qua Rn không đổi hay U R = const Rn áp i n + i stđợc nhiệm vụ ổn định điện Vậy điôt D thực n UV D Rn UV Hình 3.6 Mạch điện điốt Ust 3.1.4 Điôt Tunen Điốt tunen làm việc dựa hiệu ứng đờng hầm chuyển tiếp p-n Nếu tăng nồng độ tạp chất hai phía chuyển tiếp p-n mức fecmi nằm sâu vào đáy vùng dẫn bán dẫn n đỉnh vùng hoá trị bên bán dẫn p Khi tạo thành loại điôt tunen hay điôt Esaki, tên nhà khoa học ngời Nhật L.Esaki phát minh loại điôt Ông ngời tìm hai loại dòng tunen điện áp đặt vào qua chuyển tiếp p-n Đó loại dòng tunen điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn dòng thứ hai lại từ vùng dẫn đến vùng hoá trị Vậy thực chất điôt tunen chuyển tiếp p-n pha tạp nhiều Do thay đổi nồng độ pha tạp dẫn đến đặc tuyến vôn-ampe có dạng khác hẳn điốt khác Đặc điểm bật điốt tunen có đoạn điện trở âm (hình 3.7) Khi phân cực thuận điôt tunen tơng đơng nh điện trở âm I(mA) Miền điện tử âm 1,0 a) 0,5 Ic I uv Uđ Ic h v U(V) Uđ Ut y h 0,5 1,0 Hình 3.7 Đặc tính vôn-ampe điôt tunen a) Dự theo tính toán lý thuyết b) Nhìn Trên mạch điện điôt tunen ký máy hiệuvẽ nhđặc hìnhtuyến 3.8 anốt catốt anốt catốt Hìnhloại 3.8.điôt Ký khác, hiệu mạch điôt tunen Cũng tơng tự nh điôt tunen có số tham số đặc trng cho đặc tính làm việc riêng Các tham số đợc ghi đặc tuyến vôn-ampe hình (3.7a) gồm: dòng đỉnh I đh , dòng đáy Idy , thuận cực đại cực tiểu điôt tunen xảy hiệu ứng tunen Tơng ứng với giá trị dòng điện áp đỉnh Uđh điện áp đáy Udy , giá trị điện áp cực tiểu điện áp cực đại rơi điôt xuất điện tử âm Nếu đặt vào điôt tunen điện áp thuận đủ lớn điôt làm việc nh điôt thông thờng Để đặc trng cho đặc tính ta dùng tham số U th, gọi điện áp thuận Còn tham số quan trọng điện trở âm R D, giá trị nghịch đảo độ dốc đoạn điện trở âm: R D = uD ID (3.8) Trên thực tế đặc tuyến âm tuyến tính, điểm khác đoạn điện trở âm có giá trị khác Đối với loại điôt tunen thờng sử dụng với Iđh từ đến 100mA; Uđh khoảng từ 50 đến 220mV; Iđy từ 0,1 đến 5mA; Uđy khaỏng từ 350 đến 500mV; Uth khoảng từ 0,5 đến 1V điện trở âm từ -10 đến -200 3.1.5 Điôt phát quang LED Điôt phát quang LED đợc chế tạo từ hợp chất AIIIBV bảng tuần hoàn Menđeleep, pha tạp chất bán dẫn điện loại p hay loại n tới mức gần suy biến Khi hấp thụ ánh sáng chất bán dẫn xảy phát sinh cặp điện tử-lỗ trống dẫn điện Nghĩa phát sáng chúng nhận lợng lợng Còn ánh sáng chiếu vào cặp điện tử-lỗ trống tái hợp với Sự tái hợp có xảy xạ lợng tử ánh sáng d xm anốt D catốt b) n a) LED p Hình 3.9 Quá trình xạ phụ thuộc trúc vùng lợng a Ph ơng pháp tạovào điôtcấu phát quang Ký hiệu mạch điôtthìLED chất bán dẫn xét b Trong bán dẫn thực tái hợp xảy điện tử-lỗ trống hai mức, mà điện tử nằm nhóm, mức với lỗ trống nằm nhóm mức khác Bởi vậy, phổ xạ không liên tục Những đặc điểm điôt phát quang so với nguồn sáng thông thờng kích thớc nhỏ, điện áp làm việc nhỏ, tác động nhanh cao cỡ 10-9s (quá trình xảy tức thời) Điôt phát quang sử dụng rộng rãi mạch điện tự động tín hiệu đèn màu 3.2 ứng dụng lớp chuyển tiếp p-n để chế tạo Tranzito Danh từ tranzito phiên âm tiếng anh: Tranzitor vốn đợc ghép từ tran sfes-resistor, có nghĩa điện trở truyền đạt Có nhiều loại tranzito làm việc dựa hiệu ứng khác đây, ta xét loại tranzito đợc hình thành dựa sở hình thành lớp chuyển tiếp p-n Việc chế tạo tranzito dựa lớp chuyển tiếp p-n tơng tự nh trình chế tạo loại điôt lớp chuyển tiếp p-n Ngoài ra, ngời ta chế tạo loại tranzito sở công nghệ ghép nhiều lớp chuyển tiếp p-n 3.2.1 Các loại tranzito có cấu trúc nhiều lớp chuyển tiếp p-n 3.2.1.1 Tranzito lỡng cực Tranzito lỡng cực loại tranzito mà hoạt động sở sử dụng phần tử tải điện điện tử - lỗ trống Tranzito lỡng cực gồm có loại: Tranzito p-n-p tranzito n-p-n Cấu trúc gồm có lớp chuyển tiếp p-n có vùng bazơ chung Nếu tranzito làm việc chế độ khuếch đại lớp chuyển tiếp p-n đợc phân cực thuận (chuyển tiếp emitơ-bazơ) lớp chuyển tiếp phân cực ngợc (chuyển tiếp bazơ-colectơ) Dới ta nghiên cứu tranzito p-n-p có bazơ chung.(hình 3.10) Từ hình vẽ (3.13) ta có: Cực E: cực emitơ p n p a) Cực B: cực bazơ iE iC IB B Cực C: cực côlectơ + + Nếu đặt vào đầu E-B UE UC điện áp UB tranzito bắt E đầu phân cực thuận Còn cho vào đầu BC điện áp UC b) tranzito chế độ phân cực x ngợc Tơng tự dòng iE gọi dòng emitơ, dòng iC gọi Hình 3.10 a Cấu trúc tranzito trờng có lớp dòng côlectơ, dòng iB gọi chuyển tiếp p-n-p dòng bazơ b Quá trình chuyển tiếp hạt dẫn Khi lớp chuyển tiếp emitơ phun lỗ trống vào vùng bazơ chuyển tiếp B-C đợc phân cực ngợc, nên điện trờng đợc tạo thành từ lớp có chiều từ bán dẫn n hớng sang bán dẫn p, lỗ trống từ vùng bán dẫn n vợt qua lớp chuyển tiếp bán dẫn p miền côlectơ tạo thành dòng iC Khi lỗ trống đợc phun từ emitơ vào bazơ thực trình trôi dạt miền bazơ, miền giàu điện tử Nên điện tử lỗ trống đợc tái hợp tạo thành dòng bazơ iB Trên hình 3.10b, lỗ trống chuyển động (1) dới tác dụng trờng ngoài, đến chỗ tiếp giáp (2) E-B lỗ trống leo dốc (3), nhng vợt qua nhẹ nhàng có động ban đầu Khi vào vùng bán dẫn n lỗ trống trôi dạt Đến lớp tiếp giáp côlectơ-bazơ lỗ trống gặp trờng tăng tốc chuyển động nhanh (4) Sau qua đến vùng bán dẫn p lỗ trống lại chuyển động êm tạo thành dòng côlectơ i C (5) Mạch mà ta xét mạch bazơ chung Nên tranzito mắc kiểu gọi mạch bazơ chung Thông thờng tranzito làm việc chế độ khoá, chế độ bão hoà Chế độ hai lớp chuyển tiếp p-n phân cực ngợc Còn chế độ bão hoà hai lớp chuyển tiếp p-n phân cực thuận, dẫn đến hình thành mẫu bán dẫn Trên ta xét tranzito làm việc chế độ khuếch đại Để đặc trng cho khả khuếch đại ta đa số tham số tranzito p-n-p nh sau: Hệ số truyền dòng h21b, đại lợng đợc đo tỉ số thay đổi dòng dòng vào: i h 21b = c i E U c =const (3.15) Chuyển tiếp E-B đợc phân cực thuận, dòng qua bào gồm lỗ trống đợc phun từ vùng emitơ vào vùng bazơ: iE=ipE+inE (3.16) Từ (3.15) (3.16) suy ra: h 21b = ic i pE + i nE (3-17) h 21b = Trong đó: (3.17) i c i pc i pE i pc ic i pE + i nE (3.17a) ic = gọi hiệu lực côlectơ i pc i pc i pE = hệ số chuyển dịch = i pE i pE + i nE hiệu lực emitơ Ngoài ra, có số loại tranzito đợc mắc theo kiểu emitơ chung, côlectơ chung cách mắc tham số đặc trng khác 3.2.2 Tranzito trờng lớp chuyển tiếp p-n Tranzito trờng làm việc dựa sở điều khiển kích thớc vùng dẫn cách thay đổi cờng độ điện trờng đặt ngang qua Cấu trúc tranzito trờng có chuyển tiếp p-n đợc minh họa nh hình 3.11 P G D i n e S Cực Cực Cực - + - + E E Hình 3.11.1 Cấu trúc tranzito trờng chuyển tiếp p-n D (Drain): cực máng G (Gafe): cực cửa S (Socerce): cực nguồn Trên hình 3.11 thấy tiếp xúc p-n phân cực ngợc Nên tạo thành miền điện tích không gian Và tiếp xúc không đối xứng nên nồng độ bán dẫn p lớn nhiều so với nồng độ bán dẫn n (Pp>>Pn) Tranzito trờng lớp chuyển tiếp p-n có cấu trúc bao gồm mẫu bán dẫn với hai tiếp xúc omic hai đầu, lớp chuyển tiếp p-n mặt bên Các cực tơng ứng G, S, D Do chuyển tiếp p-n không đối xứng Bởi , mà miền điện tích không gian đợc phân bố bán dẫn n (miền gạch xiên hình 3.11) Dòng điện cấu trúc chảy theo kênh dẫn Khi ta thay đổi điện áp EL cực cửa, độ rộng miền điện tích không gian thay đổi, dẫn tới độ rộng kênh dẫn thay đổi, kéo theo thay đổi dòng điện mạch Dòng điện mạch vào dòng ngợc chuyển tiếp p-n, mà thực tế coi không Vậy khác với loại tranzito khác tranzito trờng chuyển tiếp p-n thực tế không tiêu thị dòng điện Còn thay đổi dòng điện đợc thực nhờ thay đổi độ rộng kệnh dẫn Tính chất khuyếch đại tranzito trờng lớp chuyển tiếp p-n xác định độ biến điệu trở kháng cực máng cực nguồn Trở kháng đợc gọi trở kháng kệnh dẫn 3.2.3 Tranzito quang trờng lớp chuyển tiếp p-n Cấu trúc tranzito quang trờng đợc biểu diễn dới hình vẽ 3.12 P G D Ic n RN RG S - + E hấp thụ miền bazơ, ánh sáng có cờng độ sáng đợc miền phát sinh điệnCấu tử-lỗ trống dẫn2 quang điện Lớp Hìnhcặp 3.12 trúc tranzito tr chuyển tiếp p-n chế củasáng chuyển tiếpvào p-nthì lỗ trống miền bán độ phân cực ngợc Khi ờng có ánh chiếu dẫn n dịch chuyển vào miền bán dẫn p chúng tạo thành dòng quang điện i mạch cực cửa Dòng quang điện gây lên sụp áp điện trở R G cực cửa Vậy độ lớn điện áp cực cửa đợc xác định: U G = i R G (3.9) Sự thay đổi điện áp cực cửa dẫn đến thay đổi dòng điện qua kênh dẫn: i c = g.U G (3.10) Trong đó, g độ dẫn điện kênh dẫn Từ biểu thức (3.9) (3.10) đợc: i c = g.i R G (3.11) Trong biểu thức (3.11) dòng quang điện đợc khuếch đại lên g.RG lần Giá trị g.RG độ nhạy tranzito quang trờng so với độ nhạy điôt quang Nếu ta tăng độ nhạy, tức tăng điện trở R G tích RG.CGS mà CGS điện dung lớp chuyển tiếp G-S Nên ngời ta gọi tích RG.CGS số thời gian =RG.CGS (3.12) Mặt khác, tăng điện trở RG dẫn tới số thời gian cực cửa tăng Tức tác động nhanh dụng cụ bán dẫn bị giảm xuống Một đặc điểm tranzito quang trờng trở kháng vào lớn cỡ 106 3.2.4 Tranzito lớp chuyển tiếp p-n (Điôt hai đáy) Cấu trúc điôt đáy có đạng nh hình (3.13) sau: n + U E P E B2 n l2 l1 U l R B R + - B1 - + n E2 E E1 + Trong cấu trúc chuyển tiếp p-n chiếm phần nhỏ, đợc Hình 3.13 Cấu trúc điôt hai đáy phân cực thuận Nếu mắc vào mạch bazơ điện áp U BB ta coi emitơ điểm Khi đó, sụp áp phần dới tranzito có độ dài l1 đợc tính công thức: U l = U BB l1 l1 + l (3.13) điện áp chuyển tiếp p-n đợc xác định: Up-n=UE-UL (3.14) Khi tăng UE khoảng từ đến Ul thi điện áp chuyển tiếp p-n Up-n< Khi đó, có dòng điện IE(mA) ngợc nhỏ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n, dòng dòng bão hoà io Khi UE=Ul điện áp io chuyển tiếp p-n không trạng thái cân không ổn uo định Do nhiều thăng giáng khác UE Ul bên thăng giáng nhiệt U(V) Trở kháng phần dới bazơ nhỏ so với giá trị Hình 3.14 Đặc tuyến vônampe điôt hai đáy dừng Điện áp Ul bị giảm UE>Ul Chuyển tiếp emitơ trở phân cực thuận phun lỗ trống vào bazơ Dới tác dụng điện trờng miền bazơ lỗ trống đợc chuyển phần dới bazơ, nên trở kháng phần giảm nhanh Do giảm trở kháng dẫn tới giảm điện áp Ul tăng điện áp lớp chuyển tiếp p-n Up-n Nh vậy, lỗ trống từ êmitơ phun vào bazơ tiếp tục tăng, trình từ tăng tốc dẫn đến tăng theo kiểu thác lũ dòng điện qua chuyển tiếp p-n, giảm sụt áp trở kháng mắc nối tiếp với chuyển tiếp p-n phần dới bazơ Nên đặc trng vôn-ampe tranzito chuyển tiếp p-n có dạng nh hình chữ S (hình 3.14) Trên hình (3.14) thấy tăng điện áp U o dòng qua giảm Còn giảm điện áp Uo dẫn tới dòng qua tăng làm cho trở kháng âm (Rd[...]... nguy n lý làm việc của dụng cụ b n d n Sau đây là mẫu ti p xúc của chuy n ti p p -n tạo ra l p chuy n ti p giữa chúng: L p chuy n ti p p - n p n 2.1 Chuy n ti p p - n ở trạng thái c n bằng Chuy n ti p p - n ở trạng thái c n bằng là chuy n ti p p -n cha có đi n p b n ngoài đặt vào Trong ph n này sẽ nghi n cứu các đặc tính của chúng Hìnhthành 2.1 Mô tạokhông của chuy n 2.1.1 Sự hình miềnhình điệncấu... ti p p n đợc ph n cực là chuy n ti p p - n có đi n p b n ngoài đặt vào Khi đặt đi n p b n ngoài vào chuy n ti p p - n có thể xảy ra hai trờng h p: N u đi n p đặt vào b n d n p là đi n cực dơng, c n đi n cực âm dặt vào b n d n n, gọi đó là ph n cực thu n Nếu đi n p dặt vào có cực tính ngợc lại, cực dơng vào b n d n n cực âm vào b n d n p, gọi trờng h p n y là ph n cực ngợc 2.2.1 Đặc tính chuy n ti p. .. trình bày hình ảnh mi n đi n tích không gian trong chuy n ti p p - n Na p + + + Et n + + - + + + Xm xtX - x Nd Hình 2.3 Sự ph n bố t p chất Hình 2.2 Mi n đi n tích không chuy n ti p - n nhảy Đểgian tạo trong ra cácchuy n chuyểnti p tiếppp- -nn tr n thực t trong không thể lấy haip phi n bánbậc d n p và n gh p với nhau một cách đ n gi n, mà bằng các bi n ph p công nghệ khác nhau ti n hành pha các t p. .. ti p p - n ph n cực ngợc trình bày tr n hình 2.16 Những hạt d n thiểu số bị cu n qua chuy n ti p p - n ph n cực ngợc tạo thành dòng ngợc Để tìm quan hệ giữa dòng ngợc và đi n p ngợc của chy n ti p p - n trớc hết c n biết về gi n đồ vùng n ng lợng của chuy n ti p p - n ph n cực ngợc Gi n đồ vùng n ng lợng của chuy n ti p n y đợc trình bày tr n hình 2.17 p Hình 2.17 Gi n đồ vùng n ng lợng chuy n ti p p. .. chuy n ti p p - n ph n cực thu n Chuy n ti p p - n ph n cực thu n có dạng nh hình (2.10) p E n E tx xp + xn - q (Utx -Un) (Ef )p x 'p E Fn qUtx Ec (Ef )n E Fp xp xn x 'n EV Hình 2.12 Chuy n ti p p - n Hình 2.11 Gi n đồ vùng n ng lợng ph n cực thu n chuy n ti p - ntrờng ph n ngợc cực thu n Tr n hình 2.10, chiều của đi n trờng b n ngoài vàpnội nhau Kết quả là trạng thái c n bằng ban đầu bị phá vỡ Đi n trờng của... tính Dạng đi n hình của sự ph n bố t p chất hai loại chuy n ti p tr n trình bày nh hình 2.4 và 2.5 N n P Na Nd N( x) Na - Nd 0 Na - Nd = x x Na Nd Hình 2.4 Sự ph n bố t p chất trong chuy n ti p p - n tuy n tính Hai đặc tính n y của chuy n ti p p - n không khác nhau nhiều lắm, n n xp xn 0 trong quá trình ph n tích chỉ c n xét một trờng h p 2.5 Mi n đi n tích không gian Nh tr n đã trình bày, dòng hạtHình... xn Hình 2.9 Ph n bố n ng độ hạt d n trong mi n đi n tích không gian chuy n ti p p - n ở trạng thái c n bằng Nh tr n ph n tích cho thấy sự ph n bố các hạt d n trong mi n đi n tích không gian đều theo hàm số mũ cho n n nồng độ của chúng giảm đi rất nhanh khi vào mi n đi n tích không gian 2.2 Chuy n ti p p - n ở trạng thái không c n bằng Chuy n ti p p - n ở trạng thái không c n bằng c n gọi là chuy n ti p. .. b n d n loại n ph n cực Xét một đi n tử chuy n động dới tác dụng của đi n trờng ngoài thì các đi n tử đợc tăng tốc trong vùng d n Và n ng lợng tổng cộng của chúng hầu nh giữ nguy n không đổi Bởi vậy, các đi n tử có thể chuy n động ti p tục theo quỹ đạo g n nh n m ngang trong gi n đồ mức n ng lợng hình 1.15b Trong quá trình chuy n động đi n tử bị va chạm vào mạng tinh thể và các đi n tử n y mất một ph n. .. ti p p - n ph n cực ngợc Chuy n ti p p - n ph n cực ngợc trình bày tr n hình 2.15, cực âm của đi n p ngoài đặt vào b n d n p, c n cực dơng đặt vào b n d n n Nh thấy ở tr n hình 2.15, chiều của n i trờng (đi n trờng trong) trùng với chiều của đi n trờng ngoài N u so sánh với chuy n ti p p - n ở trạng thái c n bằng thì độ rộng của mi n đi n tích không gian lúc n y rộng h n Mi n đi n tích không gian chuy n. .. mi n đi n tích không gian giảm nhỏ Thành ph n dòng khuếch t n qua chuy n ti p p - n l n h n thành ph n dòng cu n Nếu xét về độ rộng của mi n đi n tích không gian, một cách định tính thì lý lu n nh sau: Do đi n cực của đi n p b n ngoài đặt vào nh hình (2.10), các lỗ trống trong b n d n p và đi n tử trong b n d n n bị đẩy về phía mi n đi n tích không gian, trung hoà với các ion âm và ion dơng của miền ... chuy n ti p p -n tạo l p chuy n ti p chúng: L p chuy n ti p p - n p n 2.1 Chuy n ti p p - n trạng thái c n Chuy n ti p p - n trạng thái c n chuy n ti p p -n cha có đi n p b n đặt vào Trong ph n. .. n ứng dụng chuy n ti p p - n kỹ thuật đi n tử" Trong khu n khổ lu n v n tốt nghi p, đề tài t p trung nghi n cứu sở vật lý hình thành l p chuy n ti p p - n ứng dụng kỹ thuật đi n tử Ngoài ph n. .. đi n phẳng Nghĩa chuy n ti p p- n ph n cực ngợc có hiệu ứng đi n dung Đi n dung thờng gọi đi n dung rào Cpn Có thể dùng phơng ph p tính giá trị đi n dung tụ đi n phẳng để tính điệnu dung Cpn: dQ