Giáo trình cấu kiện điện tử

Tập giáo trình "Cấu kiện điện tử " được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử - Viễn thông,

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

Biên soạn: Dư Quang Bình

ĐÀ NẴNG — 1998

Bảng 1.1, cũng cho biết các giá trị điện trở suất điển hình của 3 loại vật liệu cơ bản Mặc dù trong thực tế chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ (đồng nguyên chất) và tính cách điện của mica, nhưng các đặc tính điện của các vật liệu bán dẫn như Gemanium (Ge) và Silicon (Si) có thể còn mới lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn không chỉ có hai loại vật liệu này, nhưng đây là 2 loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong sự phát triển của dụng cụ bán dẫn

BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của các vật liệu bằng chất rắn

Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện

ρ <10−3Ω.cm 10−3< ρ<105Ω.cm 105Ω.cm< ρ

Giá trị điện trở suất của các chất điển hình

cm.10

3 −6Ω

= x

ρ ρ =50 Ω.cm (germanium) ρ =1012Ω.cm(mica)

(đồng đỏ ng chất) ρ =50x103Ω.cm (silicon) ρ =1016Ω.cm(kim cương)

Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất là các nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, (bảng 1.2) Mặt khác, các chất bán dẫn hợp

chất có thể được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất 3-5), hay nhóm II và nhóm VI (gọi là hợp chất 2-6) Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên

tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium-phosphide] Theo lịch sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn đầu tiên được sử dụng Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bới Si dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan trọng nhất hiện nay

[gallium-Silicon có mức năng lượng độ rộng vùng cấm (Eg) lớn hơn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho phép sử dụng các linh kiện bán dẫn được chế tạo từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa để hình thành nên một lớp ôxit cách điện ổn định trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý trên Si khi chế tạo các vi mạch (ICs) dể dàng hơn nhiều so với Ge Tuy vậy, Ge vẫn có trong các cấu kiện bán dẫn hiện đại nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và một số chất bán dẫn khác Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [gallium-arsenic] và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED), công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang v v

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Bảng 1.3 Giới thiệu một số chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các linh

kiện bán dẫn

BẢNG 1.3 Các vật liệu bán dẫn

V)

Kim cương (diamond) 5,47 Gallium arsenide 1,42

Thiếc (tin) 0,082 Silicon carbide 3,00

Kim cương và Boron Nitride là những chất cách điện tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng

cũng như Silicon Carbide có thể được dùng như những chất bán dẫn ở nhiệt độ rất cao (600o C)

Việc bổ sung một tỷ lệ nhỏ ( < 10 % ) Ge vào Si sẽ làm cho đặc tính của các dụng cụ bán dẫn

thông thường được cải thiện

1.2 MÔ HÌNH LIÊN KẾT ĐỒNG HÓA TRỊ

Trong các chất, các nguyên tử có thể liên kết với nhau dưới 3 dạng cấu trúc như: Vô định hình

[amorphous]; đa tinh thể [polycrystalline] và đơn tinh thể [single-crystal]

Các vật liệu vô định hình có cấu trúc hoàn toàn không có trật tự (hổn độn), ngược với vật liệu đa

tinh thể bao gồm một số lượng lớn các tinh thể không hoàn chỉnh nhỏ kết hợp lại

Một loại vật liệu bất kỳ chỉ có duy nhất các cấu trúc tinh thể lặp lại (tuần hoàn) của cùng một

loại nguyên tử được gọi là cấu trúc đơn tinh thể Nhiều đặc tính rất hữu ích của các chất bán dẫn

đều được tìm thấy ở các vật liệu đơn tinh thể ở dạng nguyên chất cao, chẳng hạn như: Silicon

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có bốn điện tử (electron) ở lớp ngoài

cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị

Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trị của mỗi nguyên tử Silicon với 4 nguyên tử Si lân cận gần nhất dưới dạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình 1.1

Để đơn giản, ta chỉ xét các mô hình liên kết đồng hóa trị ở dạng hai chiều như hình 1.2

Sự liên kết bền vững giữa các nguyên tử bằng các điện tử hóa trị góp chung được gọi là liên kết đồng hóa trị

Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọai liên kết mạnh giữa các điện tử hóa trị và nguyên tử gốc của chúng nhưng các điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ năng lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy các liên kết đồng hóa trị và tạo ra các điện tử ở trạng thái tự do Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di chuyển của các điện tử là rất nhạy cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay

sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh Ở nhiệt độ phòng, trong một cm3 vật liệu bán dẫn Si nguyên chất có khoảng10 hạt tải điện tự do [free carrier] Các điện tử tự do trong vật 10

liệu bán dẫn do bản chất tương tự như các hạt tải điện cơ bản Cững tại nhiệt độ phòng, trong một cm3 vật liệu Ge nguyên chất có khoảng 2 x,5 1013 hạt tải điện tự do Tỷ lệ về số lượng các hạt tải điện tự do của Ge đối với Si lớn hơn 103 lần, điều này sẽ nói lên rằng Ge có độ dẫn điện tốt hơn ở nhiệt độ phòng, mặc dù vậy cả hai loại Ge và Si đều có độ dẫn điện rất kém ở trạng thái cơ bản Lưu ý ở bảng 1.1, điện trở suất của Si và Ge cũng chênh lệch một tỷ lệ 1000:1, trong

đó Si có điện trở suất lớn hơn, điều này là tất nhiên, vì điện trở suất tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện Khi tăng nhiệt độ ở một chất bán dẫn lên trên độ không tuyệt đối (0K) thì số lượng các điện tử hóa trị do hấp thụ năng lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy các liên kết đồng hóa trị tăng lên, làm tăng độ dẫn điện và chất bán dẫn có điện trở thấp Do vậy, các vật liệu bán dẫn như Ge và Si sẽ

có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng tức là có hệ số nhiệt độ âm Điều náy khác với các chất dẫn điện vì điện trở của nhiều chất dẫn điện tăng theo nhiệt độ do số lượng các hạt tải điện trong chất dẫn điện là không tăng đáng kể theo nhiệt độ, nhưng chúng sẽ dao động xung quanh vị trí cố định làm cản trở sự di chuyển của các điện tử khác, tức là làm cho điện trở tăng lên nên đối với các chất dẫn điện có hệ số nhiệt độ dương Như vậy, Ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, toàn bộ các điện tử định vị trong các mối liên kết đồng hóa trị góp chung giữa các nguyên tử theo dạng mãng và không có điện tử tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện Lớp ngoài cùng của nguyên

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

tử là đầy đủ và vật liệu giống như một chất cách điện

Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượng nhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể, lúc này một vài liên kết sẽ

bị bẻ gãy, giải phóng một lượng nhỏ điện tử cung cấp cho việc dẫn điện, như ở hình 1.3

Mật độ các điện tử tự do này được gọi là: mật độ các hạt tải điện cơ bản n i[intrinsic carrier density] (cm− 3) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ như sau:

ni2 3exp G cm-6 (1.1) trong đó: E là mức năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị đo là eV; k là hằng G

số Boltzmann, 8,62x10− 5(eV/ K); T là nhiệt độ tuyệt đối (oK); B là thông số tùy thuộc vật liệu,

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

chẳng hạn, đối với Si thì B = 1,08x1031(K-3 cm- 6)

Mức năng lượng vùng cấm E [bandgap energy] là mức năng lượng tối thiểu cần thiết để bẻ gãy G

một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giải phóng một điện tử cho quá trình dẫn điện Bảng 1.3 ở trên đã liệt kê các giá trị mức năng lượng vùng cấm của một số chất bán dẫn khác nhau

Mật độ các điện tử tự do được biểu diển bằng ký hiệu n ( số electron / cm3), và đối với vật liệu nguyên chất n= Mặc dù n i n là một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộc i

rất nhiều vào nhiệt độ đối với tất cả các vật liệu Hình 1.4 chỉ rõ sự thay đổi mạnh của mật độ hạt tải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức (1.2) với B=2,31x1030K−3.cm−6 cho Ge và B=1,27x1029K−3.cm−6cho GaAr

Ví dụ 1.1: Hãy xác đinh giá trị của n của Si ở nhiệt độ phòng (300K) ? i

3 6

3 31 2

K300K/eV1062,8

12,1exp

K300cm

.K1008,

x x

≈

i

n ở nhiệt độ phòng đối với Si

Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng 5x1022/cm3, so sánh với kết quả

ở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ 10 nguyên tử Si, thì chỉ có một 13

mối liên kết bị bẻ gãy

Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình 1.3 Khi một điện tử mang điện tích âm q=−1,602x10−19C, di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa trị, thì nó sẽ để lại một khoảng trống [vacancy] trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon

gốc Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q Một điện tử từ liên kết lân cận có thể

điền vào khoảng trống này và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác Quá trình này làm cho khoảng trống di chuyển qua khắp các mối liên kết trong mạng tinh thể bán dẫn Khoảng

trống di chuyển giống như hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lổ trống [hole] Mật độ

lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm3)

Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi liên kết bị bẽ gảy: một điện tử

và một lỗ trống, do đó đối với bán dẫn silicon nguyên chất ta có:

n=n i = p (1.2) 2

i

n

np=

⇒ (1.3) Tích pn cho ở (1.3) chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫn ở điều kiện cân bằng nhiệt, mà

trong đó, các đặc tính của vật liệu bán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà không có các dạng

kích thích khác Phương trình (1.3) sẽ không đúng đối với các chất bán dẫn khi có các kích thích ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thích bằng ánh sáng

1.3 ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA BÁN DẪN SILICON NGUYÊN CHẤT.

a) Dòng trôi trong các chất bán dẫn

Điện trở suất: ρvà đại lượng nghích đảo của điện trở suất là điện dẫn suất [conductivity]: σ là đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khi có điện trường đặt vào Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tích điện sẽ di chuyển hoặc trôi [drift] và tạo thành dòng điện được gọi là dòng trôi [drift current]

Mật độ dòng trôi j được định nghĩa như sau:

j=Qv (C/cm3)(cm/s) = A/cm2 (1.4) trong đó: Q là mật độ điện tích; v là vận tốc của các điện tích trong điện trường

Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon bằng cách sử dụng cả hai

mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùng năng lượng trong các chất bán dẫn

Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta phải xét độ linh động của các hạt tải điện

b) Độ linh động [mobility]

Như trên đã xét, các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng của điện trường

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

đặt vào chất bán dẫn Sự chuyển động này được gọi là sự trôi và tạo thành dòng điện chảy trong chất bán dẫn được hiểu là dòng trôi Các điện tích dương trôi cùng chiều với chiều của điện trường, ngược lại các hạt mang điện tích âm trôi theo hướng ngược với chiều của điện trường

Vận tốc trôi của các hạt tải điện vr (cm/s) tỷ lệ với điện trường Er

n

µ là độ linh động của điện tử, và có giá trị bằng 1350 cm2/V.s ở bán dẫn Si nguyên chất

p

µ là độ linh động của lỗ trống, và có giá trị bằng 500 cm2/V.s ở bán dẫn Si nguyên chất

Do quan niệm, các lỗ trống chỉ xuất hiện tại vị trí khi di chuyển qua các mối liên kết đồng hóa trị, nhưng các điện tử là tự do di chuyển trong khắp mạng tinh thể, vì vậy, có thể hiểu là độ linh động của lỗ trống thấp hơn so với độ linh động của điện tử, như biểu thị ở định nghĩa trong biểu thức (1.5) Chú ý rằng: quan hệ ở (1.5) sẽ không đúng tại các mức điện trường cao đối với tất các các chất bán dẫn bởi do vận tốc của các hạt tải điện sẽ đạt tới một giới hạn gọi là: vận tốc trôi bão hòa vsat Đối với bán dẫn Si, vsatvào khoảng 107cm/s, khi điện trường vượt quá 3x104V/cm

c) Điện trở suất của bán dẫn Si sạch

Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo một chiều để tránh ký hiệu véc tơ ở phương trình (1.4), ta có:

E qn E qn

v Q

jndrift = n n =(− )(−µn )= µn

jpdrift =Qpvp =(+qp)(+µpE)=qpµpE A/cm2 (1.6) trong đó: )Q n =(−qn và Q p =( qp+ )là mật độ điện tích của điện tử và lổ trống (C/cm3) tương ứng Tổng mật độ dòng trôi sẽ là:

jTdrift = jn + jp =q(nµn + pµp)E=σ.E A/cm2 (1.7)

Từ phương trình này sẽ xác định độ dẫn điệnσ :

σ =q.(nµn + pµp) (Ω.cm)-1 (1.8) Đối với bán dẫn Si nguyên chất, thì mật độ điện tích của điện tử được cho bởi Qn =−qn i mặt khác mật độ điện tích của các lổ trống là Qp =+qni

Thay các giá trị của độ linh động của bán dẫn Si nguyên chất đã cho ở phương trình (1.5), ta có:

6 10

10

19)[(10 )(1350) (10 )(500) 2,96 1010

60,1

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

= 1 =3,38×105

σ

ρ (Ω.cm) (1.9) Tra theo bảng 1.1, ta thấy rằng bán dẫn Si sạch có thể có đặc tính như một chất cách điện, mặc

dù gần bằng với mức dưới của khoảng điện trở suất của chất cách điện

1.4 BÁN DẪN TẠP CHẤT

a) Các tạp chất trong các chất bán dẫn.

Trong thực tế, các ưu điểm của các chất bán dẫn thể hiện rỏ khi các tạp chất được bổ sung vào vật liệu bán dẫn nguyên chất, mặc dù với một tỷ lệ rất thấp tạp chất nhưng chất bán dẫn mới được tạo thành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện của vật liệu rất tốt Quá trình như vậy

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

được gọi là sự pha tạp, và vật liệu tạo thành gọi là bán dẫn tạp

Sự pha tạp tạp chất sẽ cho phép làm thay đổi điện trở suất của vật liệu trong một khoảng rất rộng

và định rỏ hoặc nồng độ điện tử hoặc nồng độ lổ trống sẽ điều chỉnh điện trở suất của vật liệu Ở đây ta xét sự pha tạp vào bán dẫn Si nguyên chất mặc dù sự pha tạp này cũng được sử dụng giống như đối với các vật liệu khác Các tạp chất thường được sử dụng nhiều là các nguyên tố thuộc nhóm III và nhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

* Các tạp chất Donor trong bán dẫn Si

Các tạp chất Donor dùng để pha tạp vào bán dẫn Si được lấy từ các nguyên tố thuộc nhóm nguyên tố thuộc nhóm V, có 5 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Các nguyên tố thường được sử dụng nhất là Phosphorus, Arsenic và Antimony Khi một nguyên tử donor thay thể một nguyên

tử Silicon trong mạng tinh thể như mô tả ở hình 1.5, thì 4 trong số 5 điện tử của lớp ngoài cùng

sẽ điền đầy vào cấu trúc liên kết đồng hóa trị với mạng tinh thể Silicon, điện tử thứ 5 liên kết yếu với nguyên tử donor nên chỉ cần một năng lượng nhiệt rất bé nó dể trở thành điện tử tự do Như vậy, ở nhiệt độ phòng, chủ yếu một nguyên tử donor đóng góp một điện tử tự do cho quá trình dẫn điện, do đó mỗi nguyên tử donor sẽ trở nên bị ion hóa vì đã mất một điện tử và sẽ

mang điện tích +q, tương đương như một điện tích cố định, không dịch chuyển trong mạng tinh

thể

* Các tạp chất Acceptor trong bán dẫn Si

Các tạp chất Acceptor dùng để pha tạp vào bán dẫn Si được lấy từ các nguyên tố thuộc nhóm III, nếu so sánh số điện tử ở lớp ngoài cùng, thì nguyên tử nhóm III ít hơn một điện tử Nguyên tố Boron là tạp chất chính thay thế nguyên tử Si ttong mạng tinh thể như hình 1.6(a) Do nguyên tử

Boron chỉ có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng nên sẽ tồn tại một khoảng trống trong cấu trúc liên kết Khoảng trống này dễ cho một điện tử bên cạnh di chuyển vào, tạo ra một khoảng trống khác trong cấu trúc liên kết Khoảng trống này được gọi là lổ trống có thể di chuyển qua khắp mạng tinh thể như mô tả ở hình 1.6(b) và (c) và lổ trống có thể đơn giản xem như một hạt tích điện có

điện tích +q Mỗi nguyên tử tạp chất sẽ trở thành ion do nó nhận một điện tử có điện tích - q ,

không di chuyển trong mạng như ở hình 1.6(b)

b) Nồng độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn tạp

Đối với bán dẫn tạp bao gồm cả tạp chất donor và acceptor thì việc tính nồng độ điện tử và lỗ trống được xét như sau:

Trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp, nồng độ của điện tử và lỗ trống là rất chênh lệch Nếu n

> p , thì vật liệu bán dẫn được gọi là bán dẫn tạp dạng n, và ngược lại nếu p > n, thì vật liệu

được gọi là bán dẫn tạp dạng p Hạt tải điện có nồng độ lớn hơn được gọi là hạt tải điện đa số, và

hạt tải có nồng độ thấp hơn được gọi là hạt tải điện thiểu số

Để tính toán chi tiết mật độ điện tử và lỗ trống, ta cần phải biết nồng độ các tạp chất acceptor và donor :

D

N là nồng độ tạp chất donor nguyên tử /cm3

A

N là nồng độ tạp chất acceptor nguyên tử /cm3

và bổ sung các điều kiện cần thiết sau: 1-Vật liệu bán dẫn phải trung hòa về điện tích, tức điều

kiện là: tổng điện tích dương và điện tích âm là bằng không Các ion donor và các lỗ trống mang điện tích dương, ngược lại, các ion acceptor và các điện tử mang điện tích âm Vi vậy, điều kiện trung hòa về điện tích sẽ là:

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

2

4)(

)(ND NA ND NA 2 ni2

n

n p

2 i

= (1.11) Trong thực tế thì (ND−NA)>>2ni, nên có thể tính gần đúng: n≈(ND −NA) Công thức (1.11) được dùng khi ND > NA

* Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng-p (NA > ND)

Đối với trường hợp khi NA >ND, thay n vào (1.10) và giải phương trình bậc hai cho p ta có:

2

4)(

)(NA ND NA ND ni2

p

n n

2 i

= (1.12) Trở lại với trường hợp thường dùng: (NA −ND)>>2ni nên: p≈(NA −ND) Biểu thức (1.12) sẽ được sử dụng khi NA > ND

Do những hạn chế của việc điều chỉnh quá trình pha tạp trong thực tế, nên mật độ các tạp chất có thể đưa vào mạng tinh thể Silicon chỉ trong khoảng xấp xỉ từ 10 đến 14 10 nguyên tử /cm21 3 Vì vậy, N và A N thường lớn hơn rất nhiều so với nồng độ các hạt tải điện cơ bản trong bán dẫn D

Silicon ở nhiệt độ phòng

Từ các biểu thức gần đúng trên, ta thấy rằng mật độ các hạt tải điện đa số được quyết định trực tiếp bởi nồng độ tạp chất thực tế :

p≈(NA −ND) đối với NA > ND hoặc: n≈(ND −NA) đối với: ND >NA

Như vậy: ở cả bán dẫn tạp dạng-n và bán dẫn tạp dạng-p, nồng độ hạt tải điện đa số được thiết

lập bởi nhà chế tạo bằng các giá trị nồng độ tạp chất N và A N và do đó không phụ thuộc vào D

nhiệt độ Ngược lại, nồng độ các hạt tải điện thiểu số, mặc dù nhỏ nhưng tỷ lệ với 2

i

n và phụ

thuộc nhiều vào nhiệt độ

1.5 MÔ HÌNH VÙNG NĂNG LƯỢNG

Mô hình vùng năng lượng trong chất bán dẫn đưa ra một quan điểm rõ ràng hơn về quá trình phát sinh cặp điện tử-lỗ trống và sự điều chỉnh nồng độ các hạt tải điện bằng các tạp chất Theo

cơ học lượng tử thì với cấu trúc tinh thể có tính trật tự cao của một nguyên tố bán dẫn sẽ hình thành các khoảng lượng tử có tính chu kỳ ở các trạng thái năng lượng cho phép và cấm của các điện tử quay xung quanh các nguyên tử trong tinh thể

Hình 1.7 mô tả cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn, trong đó vùng dẫn và vùng hóa trị tượng trưng cho các trạng thái cho phép tồn tại của các điện tử Mức năng lượng E tương ứng V

với đỉnh của vùng hóa trị và tượng trưng cho mức năng lượng có thể cho phép cao nhất của một điện tử hóa trị Mức năng lượng E tương ứng với đáy của vùng dẫn và tượng trưng cho mức C

năng lượng của các điện tử có thể có được thấp nhất trong vùng dẫn Mặc dù, các dải năng lượng

mô tả ở hình 1.7, là liên tục nhưng thực tế, các vùng năng lượng bao gồm một số lượng rất lớn các mức năng lượng rời rạc có khoảng cách sít nhau

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Các điện tử không được phép nhận các giá trị năng lượng nằm giữa E và C E Sự chênh lệch V

giữa hai mức E và C E được gọi là mức năng lượng vùng cấm V E , ta có: G

V C

E = − (1.13) Bảng 1.3 ở trên đã giới thiệu mức năng lượng vùng cấm của môt số chất bán dẫn

a) Sự phát sinh cặp điện tử-lỗ trống ở bán dẫn nguyên chất

Khi bán dẫn Silicon ở nhiệt độ rất thấp (≈ 0K), thì các trạng thái năng lượng ở vùng hóa trị hoàn toàn được điền đầy các điện tử, và các trạng thái vùng dẫn là hoàn toàn trống, như mô tả ở hình 1.8 Chất bán dẫn trong trường hợp này sẽ không có dòng dẫn khi có điện trường đặt vào Không

có các điện tử tự do trong vùng dẫn và không có các lỗ trống tồn tại trong vùng hóa trị điền đầy hoàn toàn để tạo ra dòng điện Mô hình vùng năng lượng ở hình 1.8, tương ứng trực tiếp với

mô hình liên kết đầy đủ như ở hình 1.2

Khi nhiệt độ tăng lên trên 0K, năng lượng nhiệt sẽ được bổ sung vào mạng tinh thể, một vài điện tử nhận được đủ năng lượng cần thiết vượt quá mức năng lượng của độ rộng vùng cấm và sẽ nhảy từ vùng hóa trị vào vùng dẫn, như mô tả ở hình 1.9 Mỗi điện tử nhãy qua vùng cấm sẽ tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống Tình trạng phát sinh cặp điện tư

- lỗ trống này tương ứng trực tiếp với hình 1.3, ở trên

b) Mô hình vùng năng lượng đối với bán dẫn tạp

Hình 1.10, và 1.12, là mô hình vùng năng lượng của vật liệu ngoại lai, đó là các nguyên tử donor

và / hoặc nguyên tử acceptor Ở hình 1.10, nồng độ các nguyên tử donor N đã được bổ sung D

vào bán dẫn Các điện tử dư ở các nguyên tử donor đưa vào bán dẫn Si sẽ được định vị trên các mức năng lượng mới trong phạm vi vùng cấm tức là tại các mức năng lượng donor E gần với D

đáy của vùng dẫn

Giá trị của (E −C ED) của nguyên tử

Phosphorus (P) vào khoảng 0,045 eV, do vậy

chỉ cần một năng lượng nhiệt rất nhỏ để đẩy các

điện tử dư từ vị trí donor vào vùng dẫn Mật độ

các điện tử ở các trạng thái năng lượng trong

vùng dẫn cao hơn xác suất tìm kiếm một điện tử

ở trạng thái donor hầu như bằng không, ngoại

trừ các vật liệu pha tạp đậm (N lớn) hoặc tại D

nhiệt độ rất thấp Như vậy, ở nhiệt độ phòng,

chủ yếu toàn bộ các điện tử có trạng thái năng

lượng donor được tự do để tham gia quá trình dẫn điện Hình 1.10, tương ứng với mô hình liên kết ở hình 1.5

Trong hình 1.11, một lượng tạp chất acceptor (chất nhận) thuộc nhóm 3, có nồng độ N đã A

được bổ sung vào bán dẫn Các nguyên tử acceptor đưa vào sẽ tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm tại các mức năng lượng acceptor E gần với đỉnh của vùng hóa trị Giá trị A

(EA −EV) của Boron (B) trong bán dẫn Si xấp xỉ 0.044 eV, và chỉ cần lấy năng lượng nhiệt rất nhỏ để đẩy các điện tử từ vùng hóa trị lên các mức năng lượng acceptor Ở nhiệt độ phòng, chủ yếu toàn bộ các vị trí acceptor là được điền đầy, và cứ một điện tử được đẩy lên mức acceptor sẽ tạo ta một lỗ trống tức là hạt tải điện tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện Hình 1.11 tương ứng với mô hình liên kết ở hình 1.6(b)

b) Các chất bán dẫn bù trừ

Trạng thái của một bán dẫn bù trừ bao gồm cả hai loại tạp chất acceptor và donor được mô tả ở hình 1.12 cho trường hợp mà trong đó có các nguyên tử donor nhiều hơn nguyên tử acceptor

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Các điện tử sẽ tìm các trạng thái năng lượng thấp có sẵn và chúng sẽ rơi xuống từ các vị trí donor để điền đầy toàn bộ vào các vị trí acceptor có sẵn Nồng độ điện tử tự do còn lại cho bời

)(ND NA

1.6 ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT TRONG BÁN DẪN TẠP

Việc đưa các tạp chất vào một chất bán dẫn chẳng hạn như Silicon, thực sự làm giảm độ linh động của các hạt tải điện trong vật liệu Các nguyên tử tạp chất có sự khác nhẹ về kích thước so với các nguyên tử Si mà chúng thay thế vì thế phá vở tính chu kỳ của mạng tinh thể Ngoài ra, các nguyên tử tạp chất là được ion hóa và tương ứng với các vùng điện tích được xác định mà trong đó sẽ không có tinh thể gốc (Si)

Hai ảnh hưởng đó sẽ làm cho các điện tử và các lỗ trống phân tán khi chúng di chuyển trong bán dẫn cũng như làm giảm độ linh động của các hạt tải điện trong tinh thể Hình 1.13 cho biết sự

phụ thuộc của độ linh động vào tổng mật độ tạp chất pha tạp N =(NA +ND) ở bán dẫn Silicon, trong đó độ linh động giảm mạnh khi mức pha tạp trong tinh thể bán dẫn tăng lên Độ linh động trong các vật liệu pha tạp đậm đặc thấp hơn nhiều so với độ linh động trong vật liệu pha tạp loãng

Ví dụ 1.2: Hãy tính điện trở suất của bán dẫn Si được pha tạp với mật độ donor

3 15

BIÍN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÂN DẪN

Giải: Trong trường hợp năy, ta có ND >NA vă lớn hơn nhiều so với n , vì vậy: i

2x lă:

V.s/cm

15 19

)cm.(403,0)]

105)(

460()102)(

1260[(

ở khoảng giữa dải điện trở suất của chất bân dẫn

Sự pha tạp tạp chất cũng sẽ quyết định một trong hai loại vật liệu bân dẫn tạp dạng n hoặc p vă

câc biểu thức đơn giản có thể được dùng để tính độ dẫn điện của nhiều loại vật liệu bân dẫn tạp Lưu ý rằng: µnn>>µpp trong biểu thức tính độ dẫn điện σ ở ví dụ 1.2 sẽ đúng cho vật liệu

bân dẫn tạp dạng n ở câc mức pha tạp thường gặp, vă đối với vật liệu bân dẫn tạp dạng p

thì:µpp>>µnn Vì vậy, nồng độ câc hạt tải điện đa số sẽ điều chỉnh độ dẫn điện của vật liệu:

)

(

)(

D A p p

A D n n

p - dẫn bán liệu vật với đối N N q p q

n - dẫn bán liệu vật với đối N N q n q

σ

µµ

σ

(1.14)

Ví dụ 1.3: Một mẫu vật liệu Si tạp dạng n có điện trở suất 0,054 Ω.cm Biết mẫu Si chỉ

có một loại tạp chất donor Tính nồng độ tạp chất donor N ? D

Giải: Đối với băi toân năy cần phải giải bằng phương phâp: thử - sai lặp lại [iterative

trial-error]; đđy lă một ví dụ về một kiểu băi toân thường gặp trong kỹ thuật

Vì điện trở suất nhỏ, nín để chắc chắn ta giả thiết rằng:

σ =qµnn=qµnND vă

q

µn D =

Ta biết rằng µnlă một hăm số của nồng độ pha tạp N , mă chỉ phụ thuộc dưới dạng đồ D

thị Việc giải đòi hỏi sự thăm dò sai số-thử lặp lại bao gồm cả câc ước lượng về toân vă

đồ thị Để giải băi toân, ta cần phải thiết lập một tiến trình hợp lý câc bước mă trong đó

sẽ chọn một thông số cho phĩp chúng ta đânh giâ câc thông số khâc để đạt đến lời giải Phương phâp giải băi toân năy lă:

1 Chọn một giâ trị của N D

2 Tìm µnở đồ thị của độ linh động

3 Tính µnND

4 Nếu µnNDkhông chính xâc, thì quay lại bước 1

Dĩ nhiín, chúng ta hy vọng có thể tiến hănh chọn để đạt đến kết quả sau một văi phĩp thử Đối với băi tập năy ta có: =(0,054x1,6x10−19)−1=1,2x1020(V.s.cm)−1

q

σ

Số thứ tự phĩp thử (cmN D-3)

n

µ(cm2/ V.s)

D

nN

µ(V.s.cm)-1

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Sau 6 lần thử lặp lại, ta tìm được N = 2x10D 17 nguyên tử donor/cm3

Gradient trong hình là dương theo chiều + x nhưng sự khuyếch tán các hạt tải điện theo chiều -

x, từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp Vì vậy, mật độ dòng khuyếch tán sẽ tỷ lệ với

âm gradient hạt tải điện:

=

x

n qD x

n D q j

x

p qD x

p D q j

n n

diff n

p p

diff p

)(

)(

A/cm2 (1.15)

Các hằng số tỷ lệ D và p D được gọi là hệ số khuyếch tán của điện tử và lổ trống, có đơn vị là n

(cm2/s) Độ khuyếch tán và độ linh động có quan hệ với nhau bởi hệ thức Einstein:

p

p n

n

µµ

D q

kT

D = = (1.16)

Đai lượng (kT/ q = VT) được gọi là thế nhiệt VT, có giá trị xấp xỉ 0.025V ở nhiệt độ phòng

Thông số VT thường được dùng trong các phần nội dung của môn học

b) Dòng tổng

Thông thường, dòng điện trong bán dẫn có hai thành phần: dòng trôi và dòng khuyếch tán Mật

độ dòng trôi tổng của điện tử và lỗ trống j và nT j có thể được xác định bằng cách cộng các pT

thành phần dòng trôi và dòng khuyếch tán tương ứng của mỗi loại từ biểu thức (1.6) và (1.15), ta có:

=

x

p qD pE q j

x

n qD nE q j

p p

T p

n n

T n

µ

µ

(1.17) Thay hệ thức Einstein từ (1.16) vào biểu thưc (1.17), ta có:

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

=

x

p p V E p q j

x

n n V E n q j

11

T p

T p

T n

T n

CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN - DIODE BÁN DẪN

Trước tiên, nội dung của chương 2 sẽ giới thiệu về tiếp giáp pn Tiếp giáp pn là phần tử chính của các cấu kiện bán dẫn và nếu chỉ xét một tiếp giáp pn thì được gọi là diode tiếp giáp, một cấu kiện rất quan trọng trong điện tử Tuy nhiên, có lẽ đáng kể hơn, tiếp giáp pn hiện nay có thể vẫn

là phần cơ bản của hầu hết các dụng cụ bán dẫn khác nhau và cả các mạch vi điện tử, nên cần

phải hiểu về tiếp giáp pn trước khi khảo sát các cấu kiện bán dẫn khác ở các chương tiếp theo

Cấu kiện điện tử đơn giản nhất được gọi là diode Diode bán dẫn được kết hợp bằng hai vật liệu khác loại được gắn kết với nhau theo kiểu sao cho điện tích dễ dàng chảy theo một chiều nhưng

sẽ bị ngăn cản theo chiều ngược lại

Diode đã được phát minh bởi Henry Dunwoody vào năm 1906 khi ông đặt một mẫu carborundum vào giữa hai vòng kẹp bằng đồng vào lò điện Sau đó một vài năm, Greeleaf Pickard đã phát minh bộ tách sóng vô tuyến tinh Các nghiên cứu khác nhau được diễn ra trong khoảng thời gian từ 1906 đến 1940 đã cho thấy rằng silicon và germanium là những loại vật liệu rất tốt dùng để chế tạo các diode bán dẫn

Nhiều vấn đề khó khăn đã được khắc phục về cấu trúc và công nghệ chế tạo các diode Cho đến những năm giữa thập niên 1950, các nhà chế tạo đã giải quyết được vấn đề khó khăn nhất Trong thời kỳ bùng nổ về công nghệ những năm cuối thập niên1950 và đầu thập niên 1960, công nghệ bán dẫn đã đạt được thành tựu lớn đáng chú ý, do nhu cầu phải có các cấu kiện điện tử trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, và tiêu thụ mức nguồn thấp dùng cho việc phát triển tên lửa liên lục địa và các tàu vũ trụ Nhiệm vụ quan trọng đã được đặt ra trong việc chế tạo các cấu kiện bán dẫn để có thể nhận được độ tin cậy cao trong các ứng dụng mà trong đó không thể thực hiện việc bảo dưỡng Kết quả là đã phát triển cấu kiện bán dẫn rẽ hơn và độ tin cậy cao hơn so với các đèn chân không

Nội dung cơ bản của chương sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của diode bán

dẫn, loại cấu kiện hai điện cực, kích thước nhỏ, không tuyến tính (nghĩa là khi áp đặt tổng hai

mức điện áp sẽ tạo ra mức dòng điện không bằng tổng của hai mức dòng riêng tạo thành) Diode hoạt động tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào Đặc tuyến không tuyến tính của diode là

lý do diode có trong nhiều mạch điện tử ứng dụng Tiếp theo sẽ phân tích và khảo sát mạch tương đương của diode tiếp giáp silicon, giải thích một số ứng dụng quan trọng của diode Diode zener cũng được giới thiệu và khảo sát việc sử dụng diode zener để điều hòa điện áp, cũng như cách thiết kế mạch diode zener

Giới thiệu một số loại diode chuyên dụng khác như diode Schottky, diode biến dung, diode phát

quang [light-emitting diode LED], và photodiode

2.1 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Ở chương 1, cả hai loại vật liệu bán dẫn tạp n và p đã được xem xét Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp được tạo thành bằng cách ghép nối đơn giản hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n và p với

nhau (cấu trúc dựa trên cùng một loại bán dẫn Si hoặc Ge), như mơ tả ở hình 2.1a

Trong thực tế, diode cĩ thể được chế tạo bằng cách: Trước tiên, người ta lấy một mẫu bán dẫn

tạp dạng n cĩ nồng độ pha tạp ND và tiến hành biến đổi chọn lọc một phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung các tạp chất acceptor cĩ nồng độ NA > ND Vùng bán dẫn tạp dạng p được gọi là anode cịn vùng n được gọi là cathode của diode Ký hiệu mạch của diode như ở hình 2.1c Tiếp giáp pn là bộ phận cơ bản của tất cả các cấu kiện bán dẫn và các vi mạch điện tử (IC)

Để đơn giản, với giả thiết khơng cĩ các thế hiệu ngồi đặt vào mẫu tinh thể, và mật độ hạt tải

điện chỉ phụ thuộc vào phương x, ta cĩ thể xét một diode tiếp giáp pn, tương tự như hình 2.1, ở vùng vật liệu bán dẫn tạp dạng - p cĩ NA = 1017 (nguyên tử /cm3) và ND = 1016 (nguyên tử/cm3) ở

vùng vật liệu n Như vậy, các nồng độ điện tử và lỗ trống ở hai phía của tiếp giáp sẽ là:

Vùng bán dẫn tạp p cĩ pp = 1017 (lỗ trống/cm3) và np ≈ 103 (điện tử/cm3)

Vùng bán dẫn tạp n cĩ pn ≈ 104 (lỗ trống/cm3) và nn = 1016 (điện tử/cm3)

Với các nồng độ pha tạp trên, ta cĩ thể vẽ giản đồ biểu diễn nồng độ theo thang loga như hình

2.2a, ở phía bán dẫn p của tiếp giáp cĩ nồng độ lỗ trống rất lớn, ngược lại ở phía bán dẫn n cĩ nồng độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều Cũng vậy, nồng độ điện tử rất lớn ở phía bán dẫn n và nồng

độ điện tử rất nhỏ ở phía bán dẫn p Do cĩ sự chênh lệch về nồng độ ở hai phía của tiếp giáp nên

sẽ cĩ sự khuyếch tán xảy ra qua tiếp giáp pn Các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ vùng cĩ nồng độ cao ở phía bán dẫn p sang vùng cĩ nồng độ thấp ở phía bán dẫn n, cịn các điện tử sẽ khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p như ở hình 2.2b, và c

Từ phương trình (1.17), mật độ dịng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống cĩ thêm chỉ số 0 ở nồng độ điện tử và lỗ trống để chỉ rõ là xét ở trạng thái cân bằng:

dx

dp J

dx

dn J

0 n

kh.tạn p

0 n

kh.tạn n

Thông thường, nếu quá trình khuyếch tán là liên tục và không suy giảm, thì sẽ dẫn đến sự đồng nhất về nồng độ của các điện tử và lỗ trống trong toàn bộ vùng bán dẫn và sẽ không tồn tại tiếp

giáp pn Nhưng do sự khuyếch tán của các hạt mang điện tích, mà hình thành hai vùng điện tích

trái dấu bởi các ion, nên có một quá trình bù trừ khác được thiết lập để cân bằng với dòng khuyếch tán, đó là dòng trôi, phát sinh từ vùng lân cận lớp tiếp giáp như mô tả ở hình 2.3

Khi các lỗ trống di chuyển ra khỏi vùng vật liệu bán dẫn p sẽ để lại các ion của nguyên tử

acceptor mang điện tích âm, không di chuyển Tương tự, các điện tử khi di chuyển ra khỏi vùng

vật liệu bán dẫn n sẽ để lại các nguyên tử donor đã bị ion hóa không di chuyển, mang điện tích dương, nghĩa là ngay lập tức sẽ hình thành một vùng điện tích trái dấu hay một lớp mõng các ion

không trung hoà, xung quanh tiếp giáp, vì rất ít các hạt tải điện tự do trong vùng này, nên được

gọi là vùng điện tích không gian [SCR] hay gọi đơn giản là vùng nghèo

Hình 2.4a, cho thấy sự phân bố điện tích ở tiếp giáp Mật độ điện tích trong vùng điện tích không gian sẽ bằng tích của nồng độ tạp chất và điện tích của mỗi ion

Sự trung hoà về điện tích ở hai phía tiếp giáp pn đòi hỏi diện tích của hai hình chữ nhật phải

bằng nhau Với các mức pha tạp đã cho ở trên, do acceptor có mật độ cao hơn, nên lớp điện tích không gian âm mõng hơn so với vùng điện tích không gian dương

Theo lý thuyết trường điện từ, từ sự phân bố điện tích không gian, Q (C/cm3), ta có thể suy ra sự phân bố điện trường (V/cm) qua định luật Gauss theo một hướng:

s

Q x

Tại vùng trung hoà hay tựa trung hoà [QNR] về điện tích ở phía bán dẫn p, điện trường bằng 0

khix=−x p, nên tính tích phân phương trình (2.2) theo vùng điện tích không gian có mật độ điện tích Q =−qNA:

0

x )x(

q

p p

s A x

p s

<

<

−+

ε

−

=ε

= ∫

−

x x

N dx

Q

Ở phía bán dẫn n, điện trường E phải bằng 0 tại điểm bắt đầu của vùng trung hoà: x=xn

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

.x0 )x(qq

n n

s D x

ε

=ε

Từ (2.3) & (2.4) ta thấy rằng, cường độ điện trường tại điểm tiếp

giáp (x = 0) phải cĩ giá trị lớn nhất nên được vẽ như ở hình 2.4b, Điện trường phải liên tục tại x = 0, nên ta cĩ:

n D p

N = (2.5) Phương trình (2.5) chứng tỏ rằng, vùng điện tích khơng gian sẽ

mở rộng về phía cĩ mức pha tạp lỗng hơn Điện trường được hình thành do vùng điện tích khơng gian sẽ "quét" các hạt tải điện ra khỏi vùng điện tích khơng gian, kết quả là cĩ một dịng trơi của điện tử và lỗ trống, từ phương trình (1.12) và (1.13):

E p J

E n

p n

0 träi

n =q µ ; =q µ (2.6)

Ngồi ra, tại x = 0, điện trường E cĩ giá trị âm (điện trường E ngược chiều với chiều tăng của x), nên dịng trơi của các điện tử

cĩ chiều từ phía bán dẫn p sang phía bán dẫn n (tức là dịng các

hạt tải điện thiểu số), nhưng dịng khuyếch tán của các điện tử là

từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p (dịng các hạt tải điện đa số), do vậy, trong một tiếp giáp pn, cĩ hai thành phần dịng là

mật độ dịng điện tử khuyếch tán và trơi luơn luơn ngược chiều nhau Cĩ thể xét tương tự đối với dịng khuyếch tán và trơi của các lỗ trống

Ở trạng thái cân bằng (tức trạng thái khơng cĩ điện thế ngồi đặt vào tiếp giáp, để khơng cĩ dịng chảy thực qua tiếp giáp), dịng khuyếch tán sẽ cân bằng với dịng trơi Điều này cĩ nghĩa là độ rộng của lớp điện tích khơng gian sẽ ổn định tại một giá trị nào

đĩ mà mỗi điện tử khuyếch tán đến vùng bán dẫn p dưới ảnh

hưởng của gradient nồng độ cao của điện tử sẽ được cân bằng bởi

một điện tử đi vào vùng điện tích khơng gian từ vùng p được quét bởi điện trường sang phía bán dẫn n, tức là:

0q

qDn 0 0 n

träi n

kh.tạn n

dx

dn J

J

J (2.7)

Cĩ thể lập luận tương tự áp dụng cho các lỗ trống để cĩ Jp

Trong phạm vi vùng điện tích khơng gian, một số lượng lớn các hạt tải dưới dạng chuyển động

Sự phân bố hạt tải là dịng khuyếch tán cao sẽ triệt tiêu ngay dịng trơi cao được tạo ra bởi điện trường thiết lập tại thời điểm cân bằng Sự cân bằng của các dịng trơi và khuyếch tán cĩ thể bị xáo trộn khi áp đặt điện thế ngồi vào tiếp giáp.Thực tế cho thấy rằng các trạng thái năng lượng

của dãi dẫn (và dãi hố trị) cĩ giá trị cao hơn ở vật liệu bán dẫn p so với các trạng thái năng lượng ở vật liệu bán dẫn n Năng lượng trung bình của các điện tử tự do ở vùng p là gần với dãi hố trị hơn do các trạng thái acceptor, ngược lại ở vật liệu bán dẫn n năng lượng trung bình của

các điện tử tự do là gần với dãi dẫn hơn do cĩ nhiều điện tử ở các trạng thái donor Tuy nhiên,

để cĩ sự cân bằng khi tiếp xúc hai vùng, thì năng lượng trung bình của điện tử phải đồng nhất, nĩi cách khác xuất hiện sự chuyển tiếp năng lượng Các mức năng lượng cao hơn của dãi dẫn và

dãi hố trị ở phía bán dẫn p của tiếp giáp tương ứng với một thế hiệu tiếp xúc [contact potential]

B

φ , tồn tại ngang qua vùng nghèo Về bản chất, thế tiếp xúc tương ứng với rào thế mà một điện

tử phải vượt qua để khuyếch tán ngang qua tiếp giáp Sự biến đổi thế hiệu ngang qua vùng điện tích khơng gian cĩ thể tính bằng cách lấy tích phân điện trường, V =−∫Edx Dựa vào hình 2.4c Sử dụng giá trị điện trường ở các phương trình (2.3) và (2.4), ta cĩ:

)xx

(2

q)

(xq)

x(

n D

2 p A s n

0

n s

D 0

p

p s

A n

p

N N

dx x N

dx x

N Edx

ε

=

−+

+ε

Trong thực tế, để xác định giá trị của φ ở trạng thái cân bằng, dòng trôi sẽ bằng về độ lớn Bnhưng ngược chiều với dòng khuyếch tán Từ phương trình (2.7), ta có thể cân bằng các thành phần dòng điện tử:

E n dx

dn

n 0

0

qD =− µ (2.9) trong đó: n0 là nồng độ của điện tử trong vùng điện tích không gian ở điều kiện cân bằng Kết hợp với hệ thức Einstein (phương trình 1.19), ta có:

Edx n

n

n V

=

φ (2.12)

i po D

n = = , nên phương trình (2.12), có thể được viết như sau:

2 i

A D T

n

N N V

=

φ (2.13)

Vậy thế tiếp xúc chỉ liên quan với các mức pha tạp và nhiệt độ của tiếp giáp (vì ni phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) Tóm lại, thế tiếp xúc là rào thế tiếp xúc cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng của tiếp giáp pn Ta không thể đo được thế tiếp xúc bằng một voltmeter, nhưng vẫn có sự

thiết lập các mức thế tiếp xúc khi chế tạo tiếp giáp bán dẫn Bằng cách kết hợp các phương trình (2.6) và (2.8), ta có thể xác định độ rộng của các lớp điện tích không gian:

1/2

A

2 D D

B s n0

φε

=

N

N N q

1/2

D

2 A A

B s p0

φ ε

=

N

N N q

x (2.14)

Tổng độ rộng vùng điện tích không gian của tiếp giáp pn ở trạng thái cân bằng:

1/2

D A

D A B s p0 n0 d0

q

)(

=

N N

N N x

x

x (2.15) Điện trường tại tâm tiếp giáp pn ở trạng thái cân bằng:

1/2 D A s

D A B 0

)(

φ

=

N N

N N q

vaìmacceptor/c

, n

; ,

o

10 9 i

14F/cm 676 10 1010

041)10858)(

811(8

/cm(10

)/cm(10)/cm(10ln V)(0,025

3 16 3 17 2

i

D A

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

cm100

)10)(1010

(1,6

)(0,748V)10

1/2 15 16 19

Từ phương trình (2.14), có thể có ba loại tiếp giáp pn được chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau,

với mật độ điện tích biểu diễn như ở hình 2.5:

- Tiếp giáp đối xứng: NA =ND⇒xp0=xn0

- Tiếp giáp bất đối xứng: NA >ND⇒xp0<xn0

- Tiếp giáp bất đối xứng lớn, tức là tiếp giáp p+n:

D

1/2 D

J s d0 n0 p0

D A

1q

2

N N

x x x

s

D J 0

φ

≈ (2.18)

Phía bán dẫn được pha tạp loãng sẽ quyết định các đặc tính tĩnh điện của tiếp giáp pn

Giá trị thế tiếp xúc tồn tại khi có tiếp giáp pn như đã xét ở trên, nhưng trong thực tế không thể

đo được bằng voltmeter do các thành phần thế tiếp xúc tại các tiếp giáp bán dẫn - kim loại Các

tiếp xúc bán dẫn - kim loại là các tiếp giáp của các vật liệu không đồng nhất, nên sẽ có các thành

phần thế tiếp xúc là: φmn,φmp được xác định như ở hình 2.6 Do sự chênh lệch điện thế ngang

qua cấu trúc của diode phải bằng 0, nên trong thực tế không thể đo được thành phần thế tiếp giáp

B

φ trên hai đầu của diode bằng voltmeter !

mp mn

φ (2.19)

2.2 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI PHÂN CỰC

Trong các mạch điện tử, phân cực là đặt cưỡng bức nguồn một chiều (dc) lên cấu kiện bán dẫn

bằng nguồn ngoài (VD) Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn nối về phía anode và đầu

âm nối về phía cathode của diode thì gọi là phân cực thuận, (tức VD > 0), nếu đảo ngược nguồn

áp thì gọi là phân cực nghịch (VD < 0) Hình 2.7, cho thấy mạch của diode tiếp giáp pn khi được

phân cực thuận

Với sụt áp ở các vùng trung hoà và tiếp giáp kim loại bán dẫn không đáng kể, điện áp VD sẽ tạo

ra điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích không gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc nếu được phân cực thuận, nên sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu quả Điện thế tiếp xúc sẽ giảm xuống (hình 2.8)

Tương tự đối với trường hợp phân cực ngược hiệu thế tiếp xúc sẽ tăng lên Vậy chênh lệch thế hiệu qua tiếp giáp (còn gọi là rào thế [potential "barrier"]) sẽ là:

- Ở trạng thái cân bằng là: φ B

- Ở trạng thái phân cực thuận: φB−VD <φB

- Ở trạng thái phân cực ngược: φB−VD >φB (vçVD<0)

Các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo của tiếp giáp pn ở trạng thái phân cực có thể mô tả như

ở hình 2.9

Khi phân cực thuận: thế tiếp xúc giảm, tức E giảm nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo x hẹp d

lại Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo

d

x tăng lên

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Hai vùng điện tích của vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh thế hiệu đặt trên tiếp giáp Vì vậy, các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo khi phân cực tương tự như các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo ở trạng thái cân bằng nếu thay thế φ bằng B φB−VD

Suy ra:

1/2 D D A

A D B s D

n

)q(

)(

2)

=

N N N

N V V

1/2 A D A

D D B s D

p

)q(

)(

2)

=

N N N

N V V

1/2 D

A

D A D B s D

d

q

))(

(2)

N N V V

x (2.21)

1/2 D

A s

D A D B D

)(

)2q(

−φ

=

N N

N N V V

E (2.22) Hoặc có thể viết dưới dạng:

B

D n0

D 0

Ở tiếp giáp pn bất đối xứng lớn, nghĩa là được pha tạp với nồng độ ở hai phía tiếp giáp lớn, ví

dụ NA >> ND, xấp xỉ các biểu thức của độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn n, xn; độ rộng vùng

nghèo phía bán dẫn p tức xp, độ rộng vùng nghèo tổng xd, điện trường E, và thế tiếp xúc φ , ta Bthấy rằng tất cả các thay đổi xảy ra ở phía pha tạp thấp nhất (hình 2.10)

2.3 PHƯƠNG TRÌNH DIODE VÀ ĐẶC TUYẾN I - V CỦA DIODE.

Như đã xét ở trên, bằng việc áp đặt điện áp phân cực cho tiếp giáp pn làm cho vùng nghèo sẽ

rộng ra hay co hẹp lại, và cho dịng điện chỉnh lưu, ngồi ra cũng cĩ sự lưu trữ điện tích của hạt tải điện

Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, cĩ sự cân bằng động giữa dịng trơi và dịng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống: Jträi = Jkh.tạn

Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân cực

thuận (VD >0), rào thế tiếp giáp sẽ giảm,(φB−VD)↓, nên sẽ làm cho điện trường qua vùng nghèo giảm, ESCR ↓, và dịng trơi giảm xuống, Jträi ↓ Sự cân bằng giữa hai thành phần dịng qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là: Jträi < Jkh.tạn , như mơ tả ở hình 2.11

Dịng khuyếch tán thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện "thiểu số" phĩng thích vào hai vùng trung hồ, nên cĩ sự vượt trội nồng độ hạt tải điện thiểu số ở hai vùng trung hồ Vậy một lượng lớn hạt tải điện đa số khuyếch tán vào hai vùng trung hồ cĩ thể tạo ra dịng điện lớn chảy qua tiếp giáp

Mặt khác, khi phân cực ngược(VD<0), rào thế tiếp giáp sẽ tăng,(φB−VD)↑, nên sẽ làm cho điện trường qua vùng nghèo tăng, ESCR ↑, và dịng trơi tăng lên, Jträi ↑ Sự cân bằng giữa hai thành phần dịng qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là: Jträi > Jkh.tạn như ở hình 2.12

Dịng trơi thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện thiểu số bị rút ra khỏi hai vùng trung hồ, nên cĩ sự sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số trong hai vùng trung hồ Cĩ rất ít hạt tải điện thiểu số vào hai vùng trung hồ nên chi cho một dịng điện nhỏ

Do đĩ, khi phân cực thuận cho diode tiếp giáp pn thì các hạt tải điện thiểu số phĩng thích sẽ

khuyếch tán qua vùng trung hồ, tạo ra sự tái hợp tại bề mặt bán dẫn Khi phân cực ngược, các

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

hạt tải điện thiểu số rút ra khỏi vùng nghèo, tạo ra sự tái sinh tại bề mặt và khuyếch tán qua vùng trung hồ.Vậy khi phân cực thuận sẽ cĩ dịng điên lớn do khuyếch tán các hạt tải điện đa số; cịn khi phân cực ngược sẽ cĩ dịng trơi nhỏ do các hạt tải điện thiểu số như thể hiện ở hình 2.13

Để cĩ độ lớn của dịng điện chảy qua diode, cần phải tính nồng độ các hạt tải điện thiểu số tại hai biên vùng nghèo là p(xn) và n(- xp), và tính dịng khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số trong mỗi vùng trung hồ là In và Ip, sau đĩ tính tổng dịng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống,

p

I

Từ quan hệ giữa thế hiệu và nồng độ hạt tải điện tại các điểm theo phương x, ta cĩ tỷ số nồng độ

điện tử và lỗ trống tại hai biên của vùng nghèo ở trạng thái phân cực, tức trạng thái tương ứng với Jträi ≠ Jkh. tạn :

kT

)q(

expkT

)]

x(-(xq[

exp)x(

expkT

)]

x(-(xq[

exp)x(

kT

)q(

exp)

x(− p ≈ D VD−φB

exp)

(xn ≈ A VD−φB

N

p (2.30) Với giá trị thế tiếp xúc là:

2 i

A D B

n

lnq

kT N N

=φthay vào phương trình n(-xp)vàp(xn), sẽ nhận được nồng độ hạt tải điện thiểu số tại hai biên

của vùng nghèo là:

kT

qexp

n)x

A

2 i p

V N

n − ≈ (2.31)

và:

kT

qexp

n)

D

2 i n

V N

p ≈ (2.32) Vậy nồng độ hạt tải điện thiểu số khuyếch tán ngay tại hai biên của vùng nghèo tuỳ thuộc vào điện áp phân cực, tức là:

- Ở trạng thái cân bằng (VD =0), ta có:

A

2 i p

n)x(

N

D

2 i n

n)(x

N

như đã biết ở trên

- Ở trạng thái phân cực thuận (VD>0); ngay tại giá trị rất nhỏ(VD =0,1V), tại nhiệt độ phòng:

A

2 i p

n)x(

N

n − >> ;

D

2 i n

n)(x

n)x(

N

n − << ;

D

2 i n

n)(x

N

p <<

Có rất ít hạt tải điện trích ra khỏi vùng nghèo, cho dòng ngược nhỏ Do có sự giới hạn độ sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số thấp, nên khi phân cực ngược, có dòng ngược chảy qua tiếp giáp rất bé, gần bằng 0, nên có sự bão hoà ở dòng ngược

Như vậy, đặc tính chỉnh lưu của diode tiếp giáp pn đã được xác định từ các điều kiện biên của

hạt tải điện thiểu số tại hai biên của vùng nghèo

Tiếp theo là cần phải xác định dòng khuyếch tán của các hạt tải điện trong hai vùng trung hoà

Do sự khuyếch tán của các điện tử trong vùng trung hoà phía bán dẫn - p, chuyển đến và tái hợp

với tốc độ không đổi, mật độ dòng điện tử J không đổi nên nồng độ điện tử n(x) là tuyến tính n

như được biểu diễn ở hình 2.14

Với các điều kiện biên tại vị trí(−Wp)là độ rộng vùng trung hoà của bán dẫn - p, ta có:

A

2 i 0 p

n)

W(

N n x

n =− = = và:

kT

qexp

n)x

A

2 i p

V N

Phương trình biểu diễn nồng độ điện tử tại điểm x trong vùng trung hoà phía bán dẫn - p:

)x(Wx-

)(-W-x(-)x(-)

p p

p p p p p p

++

x

n (2.33) Mật độ dòng điện tử:

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

p p

A

2 i D A

2 i

n p

p

p p p p n n

n

xW

nkT

qexpnqDx

W

)W()x(qDqD

n n

dx

dn

1)kT

q(expxW

Dn

p p

n A

2 i

Mật độ dòng lỗ trống:

1)kT

q(expxW

Dn

n n

p D

2 i

1)kT

q(expx

W

D1

xW

D1

n n

p D

p p

n A

2 i p

−

×

=+

N N

J J

Dòng điện chảy qua tiếp giáp pn với tiết diện A sẽ là:

1)kT

q(expx

W

D1

xW

D1

n

n n

p D

p p

n A

2 i

−

×

N N

A

Dòng diode thường được viết dưới dạng phương trình diode:

1)V(expI1)kT

q(expI

T

D S

D S

I (2.38) trong đó: ⎟⎟⎠

−

×

=

n n p D

p p n A

2 i S

xW

D1

xW

D1

q

N N

An

I (2.39) gọi là dòng bão hoà ngược

Vậy khi tiếp giáp pn được phân cực thuận thì mức chênh lệch điện thế ngang qua vùng nghèo sẽ

giảm xuống do điện áp phân cực VD, nên sẽ tạo ra sự phóng thích hạt tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và tái hợp tại bề mặt của vùng trung hoà Do được cung cấp số lượng hạt tải điện lớn cho sự phóng thích nên sẽ tạo ra dòng điện lớn tỷ lệ theo mức hàm mũ điện áp đặt vào:

kT

qexp D

D

V

Khi tiếp giáp pn được phân cực ngược thì mức chênh lệch điện thế ngang qua vùng nghèo sẽ

tăng lên do điện áp phân cực VD, nên sẽ tạo ra sự rút tỉa hạt tải điện thiểu số khỏi hai vùng trung hoà Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và phát sinh tại bề mặt của vùng trung hoà Do được cung cấp số lượng hạt tải điện rất ít cho sự rút tỉa nên sẽ tạo ra dòng điện có giá trị bão hoà nhỏ

Từ phương trình diode (2.37), ta nhận thấy rằng:

- Dòng diode tỷ lệ với nồng độ hạt tải điện thiểu số vượt trội tại hai biên của vùng điện tích

kT

q(exp

n2i D

D

V N

I ∝ , nhiều hơn hạt tải điện được phóng thích nên sẽ cho dòng điện lớn hơn chảy qua diode Ở chế độ phân cực ngược:

N I

2 i D

- Dòng diode cũng tỷ lệ với tiết diện của diode:ID∝A tức là diode có tiết diện lớn hơn sẽ cho dòng chảy qua diode lớn hơn

Chú ý rằng, tại x≠0, dòng tiếp giáp không phải hoàn toàn là dòng khuyếch tán, nhưng dòng tổng phải vẫn không đổi Phương trình diode thường được hiệu chỉnh dưới dạng:

1)(exp

T

D S

nV

V I

I (2.40) trong đó, n là hệ số thực nghiệm, n = 1 đối với khi chỉ có dòng khuyếch tán Nhưng khi có sự tái

hợp rất lớn trong vùng nghèo (như trong silicon với các giá trị của VD thấp hơn 0,5 V), thì n có

thể phải được tăng lên 2 Thực tế cũng thấy rằng n = 2 đối với phóng thích mức cao tức mật độ

dòng cao Tại các mức dòng diode vừa phải thì

2

1< n< Đối với phần lớn các diode silicon, n

trong khoảng từ 1,0 đến 1,1

Hình 2.16, là đặc tuyến I - V, theo phương trình

diode Bởi vì VT ≈ 26mV ở nhiệt độ phòng

(300oK), dòng ID phụ thuộc giá trị VD dương trên

50mV theo dạng hàm mũ Cũng vậy, đối với VD

âm hơn - 50mV, dòng diode sẽ được bão hoà tại

giá trị IS Thang đo dòng diode âm đã được mỡ

rộng để biểu diễn giá trị rất nhỏ của IS Theo đặc

tuyến I - V, cũng cần phải lưu ý rằng, trong thực tế

phương trình diode sẽ trở nên không hợp lý tại giá

trị VD âm đáng kể, khi đó dòng diode sẽ tăng mạnh

do đánh thủng điện áp

2.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DIODE BÁN DẪN

a) Điện trở động của diode

Giữa nồng độ hạt tải điện và thế hiệu đặt vào có quan hệ theo hàm mũ, nên có thể viết biểu thức đơn theo sự phân bố nồng độ và tính toán cho cả hai trạng thái phân cực thuận và ngược Biểu thức sẽ đúng với điều kiện điện áp không vượt quá mức điện áp đánh thủng Quan hệ trong trường hợp tổng quát cần phải được thể hiện theo phương trình (2.41)

i (2.41) trong đó, iD là dòng điện trong diode (ampere); vD là chênh lệch điện thế ngang qua diode (volt); với: VT = kT/q, suy ra:

D

nV

v I

D exp

nV

v I

i (2.43) Phương trình có đặc tuyến theo hình 2.17

Như đã xét ở trên, mức dòng bảo hòa ngược IS tùy thuộc vào sự pha tạp, kích thước hình học của

diode, và nhiệt độ Hằng số thực nghiệm n có thể khác nhau tùy theo các mức dòng và áp và phụ

thuộc vào sự khuyếch tán, độ trôi của điện tử, và sự tái hợp của hạt tải điện trong vùng nghèo

Hằng số n sẽ đạt bằng 2 khi số lượng tái hợp điện tử - lỗ trống trong vùng nghèo tăng lên Nếu n =1, giá trị nVT là vào khoảng 25mV tại 25oC Khi n = 2, thì nVT sẽ là khoảng 50mV

Để tính mức dòng và áp tại điểm làm việc Q, căn cứ vào độ dốc của đặc tuyến ở hình 2.17, thay

đổi theo độ biến thiên của dòng tuân theo quan hệ hàm mũ

Có thể vi phân biểu thức của phương trình (2.42) để tính độ dốc tại mức dòng iD cố định bất kỳ

Độ dốc là độ dẫn điện tương đương của cấu kiện

T

T D S D

D exp /

nV

nV v I

dv di = (2.44)

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Từ phương trình diode cơ bản (2.42), ta có:

1exp

S

D T

Thay vào phương trình độ dẫn điện (2.44), ta nhận được:

T

S D D

D

nV

I i dv

di = + (2.45) Điện trở động là nghịch đảo của độ dẫn điện (2.45), hay:

D

T S D

T d

i

nV I i

Khi điện áp thuận tăng dần khỏi mức 0, dòng điện sẽ không bắt đầu chảy ngay, mà lấy theo mức điện áp nhỏ nhất là Vγ (0,2V hoặc 0,7V trong hình vẽ) để có được mức dòng có thể đo được Khi điện áp vượt quá Vγ , thì dòng tăng rất nhanh Độ dốc của đặc tuyến là lớn, nhưng không phải vô cùng như trường hợp với diode lý tưởng (Vγ xem như bằng 0)

Vậy mức điện áp nhỏ nhất cần thiết để có mức dòng có thể đo được Vγ vào khoảng 0,7V đối với diode bán dẫn silicon (tại nhiệt độ phòng), và khoảng 0,2V đối với diode bán dẫn germanium Khi diode được phân cực ngược, sẽ có dòng điện rò nhỏ trong khoảng điện áp ngược thấp hơn

so với điện áp cần để đánh thủng tiếp giáp Dòng rò của diode germanium lớn hơn nhiều so với diode silicon hay diode gallium arsenide Nếu mức điện áp âm trở nên đủ lớn ở vùng đánh thủng, thì một diode thông thường có thể bị phá hũy Điện áp đánh thủng được quy định như

điện áp ngược đỉnh – PIV [peak inverse voltge] trong các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

Hư hỏng ở các diode thông dụng tại mức điện áp đánh thủng là do sự tăng nhanh của dòng điện

tử chảy qua tiếp giáp dẫn đến quá nhiệt ở diode Mức dòng lớn có thể làm hỏng diode nếu tích tụ

nhiệt vượt quá mức cho phép Đánh thủng do nhiệt đôi khi cũng được xem như điện áp đánh thủng diode (VBR)

c) Dòng ngược của các loại diode khác nhau

Như đã nói ở trên, từ phương trình diode (2.38) ta thấy rằng: dòng bão hoà ngược phụ thuộc vào tiết diện của tiếp giáp, các hệ số khuyếch tán của hạt tải điện thiểu số, nồng độ của các hạt tải điện thiểu số ở điều kiện cân bằng, và độ dài của các vùng trung hoà hay quãng đường khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số, mà các thông số đó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức pha tạp Do vậy, dòng bão hoà IS có thể có giá trị vào khoảng µA đối với các diode Germanium, và vào khoảng cỡ nA đối với các diode Silicon Nhiều diode có dòng ngược biểu hiện tăng theo điện áp ngược không tuân theo phương trình diode, vì do dòng rò qua tiếp giáp tại bề mặt của chất bán dẫn và do khi khảo sát phương trình diode ta đã bỏ qua sự phát sinh cặp điện tử - lỗ trống do năng lượng nhiệt trong vùng điện tích không gian Đối với các tiếp giáp silicon khi được phân cực ngược thì dòng ngược không tăng do dòng điện phát sinh do nhiệt là thành phần chủ yếu của dòng bão hoà ở nhiệt độ phòng rất thấp Vì vậy, dòng ngược ít phụ thuộc vào điện

áp ngược do vùng nghèo trở nên dày hơn tại các giá trị điện áp ngược cao hơn

d) Các ảnh hưởng do nhiệt độ và hệ số nhiệt độ của diode

Nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định các đặc tính làm việc của các diode Các thay đổi về đặc tính của diode gây ra do nhiệt độ thay đổi có thể cần phải điều chỉnh về thiết kế và hoàn thiện các mạch Hệ số nhiệt độ đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng cần phải được lưu ý

Hệ số nhiệt độ liên quan đến mức sụt áp trên diode v D Giải phương trình diode (2.41) theo sụt

áp trên diode ở điều kiện phân cực thuận (với hệ số thực nghiệm n = 1), ta có:

=

S

D S

D S

D T

D ln 1 ln 1 ln

I

i q

kT I

i q

kT I

i V

Vi phân theo nhiệt độ ta có:

T

V V v dT

dI I

V T

v dT

dI I q

kT I

i q

k dT

S T D S S S

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Hai số hạng sau rút ra từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ của n Giản lược các số hạng ở phương i2

trình trên đối với diode Si, chẳng hạn có VD = 0,65V, EG = 1,12eV, và VT ≈ 0,025V ta có:

1,82mV/K300K

0,075)V1,12

(0,65

dT

dv (2.47) Vậy, tại nhiệt độ phòng điện áp thuận của diode biểu hiện hệ số nhiệt độ âm gần bằng -1,82 mV/0C, nghĩa là tại giá trị dòng diode ID không đổi, điện áp VD sẽ giảm vào khoảng 2mV khi nhiệt độ tăng lên 1oC ở nhiệt độ từ 25oC:

C2mV/o

D

I dT

dV

(2.48)

Bằng thực nghiệm, cũng có thể thấy rỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên các đặc tuyến của một diode Silicon như ở hình 2.19

Nhiệt độ cũng làm tăng mức dòng bảo hòa ngược vì dòng bão hoà ngược biến thiên theo nồng

độ các hạt tải điện thiểu số, tức là thay đổi theo 2

i

n , mà n là một hàm của nhiệt độ i2

Đối với diode bằng bán dẫn Gemanium, dòng bão hòa ngược IS (còn gọi là dòng rò hay dòng rỉ) tăng lên gần gấp đôi cứ mỗi khi nhiệt độ tăng lên 100C, ở nhiệt độ 250C sẽ có dòng IS vào khoảng 1µA hay 2µA và có dòng rò vào khoảng 100µA = 0,1mA tại nhiệt độ làm việc 1000C Với các mức dòng rò IS nhỏ ở vùng ngược, nên có thể xem diode như một chuyển mạch ở trạng thái hở mạch ở vùng phân cực ngược Thực tế thấy rằng, đối với bán dẫn Silicon, IS sẽ tăng gấp đôi trong khoảng tăng nhiệt độ 5oC ở nhiệt độ từ 25oC Tuy nhiên, giá trị điển hình của IS ở diode Silicon thấp hơn rất nhiều so với IS của diode bằng bán dẫn Germanium có cùng cấp công suất và mức dòng Thậm chí, ta cũng có kết quả tương tự khi diode làm việc ở nhiệt độ cao thì dòng IS của các diode bằng bán dẫn Si cũng không thể đạt được các mức dòng rò cao như ở các diode Ge, đây là lý do rất quan trọng khiến cho các diode bằng bán dẫn Si được sử dụng nhiều hơn trong thiết kế chế tạo mạch điện tử

Về cơ bản thì sự tương đương như một mạch hở ở vùng phân cực ngược, khi làm việc tại nhiệt

độ bất kỳ là lý do tốt nhất có ở diode Si so với diode Ge Mức dòng IS tăng theo nhiệt độ, điều này giải thích cho việc các mức điện áp ngưỡng thấp hơn Ở vùng phân cực ngược, điện áp đánh thủng cũng tùy thuộc vào nhiệt độ, nhưng lưu ý là dòng bão hòa ngược không mong muốn cũng tăng lên Dòng bảo hòa ngược tăng vào khoảng 7,2%/oC đối với cả diode silicon và germanium Nói cách khác, IS gần gấp đôi cho mỗi khoảng tăng nhiệt độ là 10oC Biểu thức của dòng bảo hòa ngược phụ thuộc vào nhiệt độ là,

)]

()exp[

()( 2 S 1 i 2 1

S T I T k T T

I = − (2.49) trong đó: ki = 0,07/oC và T1 và T2 là hai nhiệt độ khác nhau Biểu thức có thể tính gần đúng bằng cách rút gọn hàm mũ,

)/10 ( 1 0 2

S(T ) I (T)2T2 T1

I = − (2.50) bởi vì e ,7≈2

Khi mức điện áp phân cực thuận trên diode không đổi, thì ID cũng sẽ tăng gấp đôi trong khoảng tăng nhiệt độ 10oC ở nhiệt độ từ 25oC

Khi nhiệt độ tăng, điện áp chuyển sang dẫn Vγ sẽ giảm Ngược lại, khi nhiệt độ giảm sẽ làm tăng

về Vγ, như chỉ rõ ở hình 2.19, trong đó Vγ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuân theo phương trình sau: (giả sử dòng chảy qua diode được giữ không đổi)

)()()( 1 γ 0 T 1 0

γ T V T k T T

V − = − (2.51) trong đó: T0 là nhiệt độ phòng, khoảng 25oC; T1 là nhiệt độ làm việc của diode (oC); Vγ(T0) là sụt

áp trên diode tại nhiệt độ phòng (Volt) Đối với diode Si: Vγ(T0) = 0,7V, và diode Ge: Vγ(T0) = 0,2V; Vγ(T1) là sụt áp trên diode ở nhiệt độ làm việc, (Volt); kT là hệ số nhiệt độ (V/oC) Giá trị của kT là khác nhau tùy theo loại diode, đối với diode Ge có kT = - 2,5 mV/oC, diode Si có kT = - 2,0 mV/oC

e) Mô hình mạch tương đương của diode

Mạch ở hình 2.20a, tương ứng với mô hình đơn giản của diode silicon ở cả trạng thái làm việc

dc thuận và ngược Đặc tuyến của mô hình gần như đặc tuyến hoạt động của diode ở hình 2.18

Điện trở Rr tương ứng với điện trở phân cực ngược của diode, thường vào khoảng vài megaohm Điện trở Rf tương ứng với điện trở khối và tiếp xúc của diode, thường nhỏ hơn 50Ω Khi được phân cực thuận, diode lý tưởng là một ngắn mạch, hay điện trở bằng 0 Điện trở mạch của diode thực tế khi phân cực thuận được mô hình hóa ở hình 2.20a, là điện trở đầu cực của diode lý tưởng được ngắn mạch, hay:

f f

r R R

Ở trạng thái phân cực ngược, diode lý tưởng có điện trở lớn vô cùng (mạch hở) còn điện trở mạch của mô hình thực tế là Rr Diode lý tưởng là một phần của mô hình ở hình 2.20a, phân cực thuận khi điện áp đầu cực vượt quá 0,7V

Các mô hình mạch ac phức tạp hơn do hoạt động của diode phụ thuộc vào tần số Mô hình ac

đơn giản cho diode phân cực ngược như ở hình 2.20b Tụ CJ tương ứng với điện dung của tiếp giáp, xuất hiện do vùng nghèo như một tụ điện Hình 2.20c, là mạch tương đương của diode

phân cực thuận Mô hình bao gồm hai tụ điện là tụ khuyếch tán CD và tụ tiếp giáp CJ Điện dung khuyếch tán liên quan đến sự di chuyển của các hạt tải điện dẫn đến trạng thái có thể so với sự lưu trữ điện tích Do vậy, hệ quả của sự khuyếch tán bao gồm các ảnh hưởng của điện dung Điện dung khuyếch tán CD sẽ gần bằng 0 khi diode phân cực ngược Điện trở động là rd Ở dãi tần số thấp các ảnh hưởng của điện dung là nhỏ và chỉ có Rf là phần tử đáng kể nhất

f) Phân tích mạch diode

Từ các nội dung trên, ta đã có thông tin cơ bản cần thiết để phân tích các mạch có diode Giả sử cho một mạch gồm các cấu kiện tuyến tính thụ động, các nguồn cung cấp và các diode, cần phải tính mức dòng và áp liên quan Bài toán cũng có thể giải quyết ở phòng thí nghiệm điện tử, chọn các cấu kiện thích hợp và nối dây cho mạch, đo các mức dòng và áp bằng các đồng hồ đo / hoặc máy hiện sóng Dĩ nhiên là các điều kiện của phòng thí nghiệm phải đáp ứng phù hợp các điều kiện của bài toán đã cho Trong thực tế, có thể có các quy trình đo chính xác các đại lượng mà

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

không phải ngắt mạch để có kết quả đúng so với tính toán lý thuyết, khi chưa có sự rõ ràng về

mô hình đúng của các cấu kiện, tức là giả sử các mô hình ở phần trước không mô tả được bản chất vật lý của các cấu kiện một cách thích hợp Trong trường hợp như vậy, sẽ không lời giải để cho kết quả đúng Thực ra mục đích xuyên suốt trong nghiên cứu là cho khả năng dự đoán và giải thích nguyên lý hoạt động thực tế

Nếu không muốn mất nhiều thời gian, và tình trạng chưa biết rõ ràng của giải pháp cứng (mạch thực nghiệm), thì có thể dựa vào phân tích thuần túy bằng cách sử dụng các phương trình cho từng phần tử (chẳng hạn như định luật Ohm và phương trình diode) Hoặc có thể dựa vào các

mô hình diode ở phần trên thay cho các diode và sau đó thực hiện việc phân tích mạch thông thường Các phân tích như vậy cần phải có các gần đúng vì tự các mô hình là các xấp xĩ Ngoài

ra, cũng có thể không đưa vào tính toán nhiều điều kiện vật lý khác như biến thiên về nhiệt độ và sai số của các cấu kiện

Ngoài các phương pháp phân tích mạch trên, các chương trình mô phỏng bằng máy tính đã trở nên phổ biến trên các PC Khả năng và tốc độ của PC thường sử dụng mô phỏng dùng cho việc

phân tích mạch đúng hơn là thiết kế mạch, nghĩa là thường kiểm chứng hiệu suất của mạch mà

trong đó có các cấu kiện điện tử khác nhau đã được chọn sẳn

Các chương trình mô phỏng cũng có thể dùng để thiết kế bằng cách sử dụng kỹ thuật lặp, chẳng

hạn như nếu ta muốn chọn một trị số điện trở, ta có thể phân tích mạch theo các trị số khác nhau

và chọn một trị số để nhận được các thông số thiết kế

Đường tải của diode: Do diode là cấu kiện phi tuyến, cần phải thay đổi kỹ thuật phân tích mạch thông thường Không thể viết các phương trình một cách đơn giản và giải theo các biến, vì các phương trình chỉ có thể áp dụng trong phạm vi vùng làm việc cụ thể

Một mạch thường bao gồm cả hai điện áp nguồn dc và nguồn thay đổi theo thời gian Nếu ta

thiết lập nguồn biến thiên theo thời gian bằng 0, thì năng lượng chỉ được cung cấp đến mạch từ nguồn điện áp dc Loại bỏ nguồn biến thiên theo thời gian ra khỏi mạch, sẽ xác định được điện

áp và dòng của diode được gọi là điểm làm việc tĩnh (điểm - Q)

Hình 2.21a, là mạch gồm một diode, tụ, nguồn cung cấp và 2 điện trở Nếu chọn dòng chảy qua diode và điện áp diode là đại lượng cần tìm của mạch, thì cần phải có hai phương trình độc lập

có các đại lượng cần tính đó để có lời giải duy nhất cho điểm làm việc Một trong hai phương trình được suy ra từ mạch nối với diode Phương trình thứ hai là quan hệ dòng – áp thực tế của diode Hai phương trình cần phải được giải đồng thời, tức là có thể thực hiện bằng đồ thị

Nếu xét trạng thái dc đầu tiên, thì nguồn điện áp sẽ trở nên đơn giản là VS, và tụ sẽ là mạch hở

(tức là trở kháng của tụ là vô cùng tại tần số bằng 0) Vậy phương trình cho mạch dc có thể lập

được là:

1 D D R1 D

S V V V I R

V = + = + (2.52) hay: VD=VS−IDR1 (2.53) Đây là phương trình thứ nhất trong hai phương trình đồng thời có điện áp và dòng của diode Ta

cần phải kết hợp phương trình (2.53) với đặc tuyến của diode để xác định điểm làm việc Đồ thị

của phương trình như ở hình 2.21b, gọi là “đường tải dc” Đặc tuyến của diode cũng được thể

hiện trên cùng một trục tọa độ Giao điểm của hai đặc tuyến là nghiệm chung của hai phương

trình nên ký hiệu là “điểm tĩnh – Q” [Q – quiescent] trên hình vẽ Đây là điểm mà tại đó mạch sẽ

làm việc với tín hiệu vào biến thiên theo thời gian thiết lập mức 0

Nếu đặt bổ sung tín hiệu biến thiên theo thời gian đến đầu vào dc, thì một trong hai phương trình

đồng thời sẽ thay đổi Nếu cho rằng, tín hiệu vào biến thiên theo thời gian là tín hiệu có tần số

đủ cao để cho phép coi tụ điện như một ngắn mạch, thì sẽ cho phương trình mới như sau:

)( 1 L

d d

s v i R R

v = + (2.54)

)( 1 L

d s

d v i R R

v = − (2.55)

Ta đang chỉ xét các thành phần biến thiên theo thời gian của các tham số khác nhau (lưu ý việc

sử dụng các ký tự viết thường cho các biến số) Vậy các giá trị của tham số toàn bộ sẽ là:

DQ d

D v V

DQ d

D i I

và phương trình (1.37) sẽ trở thành:

s DQ D L 1 DQ

D V (R R )(i I ) v

Phương trình cuối cùng có tên gọi là “đường tải ac” ở hình 2.21b Do phương trình liên qua chỉ

với các đại lượng biến thiên theo thời gian nên không biết điểm cắt trục tọa độ Tuy nhiên,

đường tải ac cần phải đi qua điểm – Q, vì tại các thời điểm khi phần tín hiệu vào biến thiên theo

thời gian đi qua điểm 0, hai trạng thái làm việc (dc và ac) cần phải đồng nhất Vậy đường tải ac

S V I R

V = + , suy ra: 4mA

L

γ S

D = − =

R

V V I

Mức dòng này sẽ thiết lập điểm làm việc của diode Ta

cần phải xác định điện trở động (sử dụng ký hiệu Rf thay cho rd do bỏ qua điện trở tiếp xúc giữa

bán dẫn và điện cực kim loại), để có thể xác lập điện trở của tiếp giáp được phân cực thuận đối

với tín hiệu ac, ta có:

0Ω1

Lúc này ta có thể thay thế diode bằng một điện trở 10Ω với điều kiện là diode sẽ duy trì phân

cực thuận trong chu kỳ vào của tín hiệu ac Áp dụng trở lại KVL, ta có:

d L d f

s R i R i

v = + ; 0,91sin1000 mA

L f

S

R R

v

+

=Dòng chảy qua diode sẽ là: iD =(4+0,91sin1000t) mA

Vì iD luôn luôn dương, diode sẽ luôn luôn được phân cực thuận

Nếu biên độ của dòng ac trở nên lớn hơn so với giá trị dc của dòng iD, thì iD sẽ không phải luôn

luôn dương, và giả thiết là diode được phân cực thuận là không chính xác Do vậy, lời giải cần

phải được sửa đổi, trong đó khi biên độ dòng ac theo chiều âm trở nên lớn hơn so với giá trị dc,

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

thì diode sẽ trở nên bị phân cực ngược và dòng sẽ ngưng

g) Khả năng xử lý công suất

Các diode được đánh giá tùy theo khả năng xử lý công suất Các thông số được quy định theo cấu trúc vật lý của diode (tức là, kích thước của tiếp giáp, kiểu vỏ, và kích thước của diode) Các chỉ tiêu kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp, dùng để xác định khả năng về công suất của diode trong khoảng nhiệt độ cho trước Một số diode như các diode công suất đánh giá theo khả năng tải dòng của diode

Mức công suất tức thời tiêu tán bởi diode xác định bằng biểu thức ở phương trình (2.56),

D D

D v i

p = (2.56) Khi các diode dẫn dòng tương đối lớn, thì diode cần phải được lắp đặt sao cho nhiệt tạo ra trong diode có thể tiêu tán ra khỏi diode Để tiêu tán nhiệt năng phát ra từ bên trong diode, thì phải lắp cánh tản nhiệt cho các diode

h ) Điện dung của diode

Mạch tương đương của diode gồm có một tụ nhỏ Điện dung của tụ tùy thuộc vào biên độ và cực tính của điện áp đặt vào diode cũng như các đặc tính của tiếp giáp hình thành trong suốt quá trình chế tạo

Trong mô hình đơn giản của tiếp giáp diode thể hiện ở hình 2.23, vùng tại tiếp giáp đã được rút hết cả điện tử và lỗ trống Ở phía p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống cao, còn ở phía n có nồng

độ điện tử cao Sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống xảy ra lân cận tiếp giáp tạo ra dòng khuyếch tán ban đầu Khi các lỗ trống khuyếch tán qua tiếp giáp vào vùng n, các lỗ trống nhanh

chóng kết hợp với các điện tử đa số có trong vùng n và triệt tiêu Tương tự như vậy, các điện tử

khuyếch tán ngang qua tiếp giáp, tái hợp và biến mất, tức là tạo ra vùng nghèo (còn gọi là vùng điện tích không gian) lân cận tiếp giáp, vì rất ít các điện tử và lỗ trống Khi đặt điện áp phân cực

ngược ngang qua tiếp giáp, vùng nghèo sẽ mở rộng, tức là làm tăng kích thước của vùng nghèo

Vùng nghèo đóng vai trò như vùng cách điện, do đó diode phân cực ngược hoạt động giống như một tụ điện có điện dung thay đổi nghịch đảo với căn bậc hai của mức sụt áp ngang vật liệu bán dẫn

Điện dung tương đương của các diode tần số cao nhỏ hơn 5pF, và có thể trở thành điện dung lớn khoảng 500pF ở các diode dòng lớn (tần số thấp) Các thông số của nhà sản xuất cần phải được lưu ý để xác định mức điện dung cho trước theo điều kiện làm việc đã cho

2.5 MẠCH NGUỒN CHỈNH LƯU

Ứng dụng cơ bản trước tiên của diode là chỉnh lưu Chỉnh lưu (hay nắn) là quá trình chuyển tín

hiệu xoay chiều (ac) thành một chiều (dc) Chỉnh lưu được phân loại thành chỉnh lưu bán kỳ

hoặc chỉnh lưu toàn kỳ

a) Chỉnh lưu bán kỳ

Do một diode lý tưởng có thể duy trì dòng điện chảy chỉ theo một chiều, nên diode có thể dùng

để chuyển đổi tín hiệu ac thành tín hiệu dc

Hình 2.24, là mạch chỉnh lưu bán kỳ đơn giản Khi điện áp vào dương, diode được phân cực

thuận nên có thể được thay bằng một ngắn mạch (giả sử diode là lý tưởng) Khi điện áp vào âm, diode được phân cực ngược nên có thể thay bằng một mạch hở Vậy, khi diode được phân cực

thuận, điện áp ra trên điện trở tải có thể xác định từ quan hệ mạch phân áp Mặt khác, ở trạng thái phân cực ngược, dòng điện bằng 0 nên điện áp ra cũng bằng 0

Hình 2.24, thể hiện ví dụ của dạng sóng ra khi cho dạng sóng vào sin có biên độ khoảng 100V,

Rs = 10Ω, và RL = 90Ω

Mức điện áp trung bình của hàm tuần hoàn được tính theo tích phân của hàm số trong một chu

kỳ của hàm tuần hoàn, tức là bằng số hạng thứ nhất trong khai triển chuổi Fourier của hàm số Lưu ý rằng, khi tín hiệu vào sin có trị trung bình bằng 0, thì dạng sóng ra có trị trung bình là,

= /2

0 oavg

π

902

90sin

1 T

dt T

t T

Mạch chỉnh lưu bán kỳ có thể dùng để tạo ra tín hiệu ra dc gần như không đổi nếu dạng sóng ra

ở hình 2.24, được lọc (xem mục 2.5c) Lưu ý mạch chỉnh lưu bán kỳ có hiệu suất rất thấp Trong suốt nữa bán kỳ của mỗi chu kỳ tín hiệu vào bị cắt bỏ hoàn toàn khỏi tín hiệu ra Nếu có thể truyền năng lượng vào đến đầu ra trong suốt bán kỳ đó cần phải tăng mức công suất ra

b) Chỉnh lưu toàn kỳ

Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sẽ chuyển đổi năng lượng vào đến đầu ra trong cả hai bán kỳ của tín

hiệu vào và sẽ làm cho mức dòng trung bình tăng lên trong một chu kỳ Có thể sử dụng biến áp trong mạch chỉnh lưu bán kỳ để có được cả hai cực tính âm và dương Mạch tương đương và dạng sóng ra như ở hình 2.25 Mạch chỉnh lưu bán kỳ sẽ tạo ra mức dòng trung bình gấp đôi mức dòng trung bình của mạch chỉnh lưu bán kỳ (tự kiểm chứng phát biểu này)

Chỉnh lưu toàn kỳ có thể không sử dụng biến áp, chẳng hạn như mạch chỉnh lưu cầu ở hình

2.26, cũng thực hiện việc chỉnh lưu toàn kỳ

Khi điện áp nguồn có bán kỳ dương, các diode 1 và 4 sẽ dẫn còn các diode 2 và 3 là hở mạch Khi điện áp nguồn chuyển sang bán kỳ âm, xảy ra trạng thái ngược lại nên các diode 2 và 3 dẫn, như chỉ rõ ở hình 2.26b Xét mạch ở hình 2.26a, sẽ cho thấy có thể ngắn mạch thực tế của mạch

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

chỉnh lưu cầu, nếu một đầu của nguồn được nối đất, cả hai đầu cực của điện trở tải có thể được nối đất, sẽ tạo ra vòng đất, làm ngắn mạch hiệu dụng một trong các diode Do đó, cần phải bổ

sung một biến áp cho mạch để cách ly hai mức đất tách biệt nhau Trong trường hợp này biến áp không cần phải có điểm giữa như biến áp của mạch chỉnh lưu toàn kỳ ở hình 2.25 Cũng lưu ý rằng, do có hai diode dẫn nối tiếp, sụt áp của diode là 2Vγ

c) Mạch lọc

Các mạch chỉnh lưu sẽ cho điện áp dc dạng xung (đập mạch) ở đầu ra Các xung ra gọi là gợn sóng ra, độ gợn có thể giảm đáng kể bằng cách lọc tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu

Kiểu lọc thông dụng nhất là sử dụng tụ điện một chiều Hình 2.27a, là mạch chỉnh lưu toàn kỳ

có thêm một tụ mắc song song với điện trở tải Dạng sóng của điện áp ra đã bị thay đổi như ở hình 2.28

Trong ứng dụng thực tế, các diode cần phải mắc ngược lại và đặt gần với mức thế đất như mạch

ở hình 2.27b, tức là tạo cho anode có thế đất, nên các diode có thể được gắn với tấm nối đất, bằng cách đó cho phép tiêu tán nhiệt năng đối với các mạch chỉnh lưu công suất lớn

Tụ điện sẽ nạp đến mức điện áp cao nhất (Vmax) khi các mức đỉnh của tín hiệu vào tại giá trị âm

và dương nhất Khi điện áp vào giảm thấp hơn giá trị đỉnh, tụ điện không thể xã qua cả hai diode Do vậy, tụ xã qua RL, tức là xuất hiện sự suy giảm theo hàm mũ cho bởi phương trình:

C R t τ

V t

max

/ maxe e)

( = − = − (2.57)

Việc thiết kế mạch lọc bao gồm chọn trị số cho tụ C Chẳng hạn, cho tín hiệu vào là sóng sin có

biên độ 311V và mức điện áp ra thấp nhất có thể nhận ở mạch ứng dụng cho trước là 300V, suy ra:

C R '

T/ L

e311

300= −trong đó, T’ là khoảng thời gian xã như đã chỉ ở hình 2.28 Ta có thể tính C theo T’ và RL như sau:

C R '

T/ L

e311

300= − hay:

C R

R

T' ,

C=Công thức này khó dùng để thiết kế mạch lọc, vì T’ phụ thuộc vào hằng số thời gian RLC, do đó

C chưa biết Lấy gần đúng khi để ý là: T’ < T Đối với tín hiệu vào có tần số 50Hz, thì tần số cơ

bản của tín hiệu ra là 100Hz Do vậy,

ms10100

1

1 = =

=

f T

Ta có thể tính trị số của tụ lọc cần cho một tải cụ thể bằng cách sử dụng đường thẳng gần đúng như thể hiện ở hình 2.29 Tính C theo đường thẳng gần đúng

Độ dốc thứ nhất của hàm mũ ở phương trình (2.57) là:

C R

V - m

/ T

∆

∆-

V

V C R m

1 2 2 2V

V T T t T

và:

2

)/

∆(2

max

L 1

V V T

V

V C R

max P

max L

2

∆11

∆22

1

∆

V

V f

V

V f

V

V C

Trong phần lớn các thiết kế mạch lọc, đều đòi hỏi độ gợn cần phải nhỏ hơn nhiều so với biên độ

dc, nên:

12

∆

max

<<

V V

Và phương trình (2.58) sẽ trở thành:

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

L P

max

∆V f R

V

C = (2.59) Công thức (2.59) là kết quả tính của bài toán thiết kế chỉ đúng nếu đường thẳng không thấp hơn

Vmin, đặc tuyến theo hàm mũ sẽ vẫn giữ trên giá trị Vmin

Sử dụng phương trình (2.59) để tính tụ cho ví dụ đã cho ở trên, với giả thiết tín hiệu vào là sóng

sin 50Hz, biên độ 311V và để có điện áp ra có thể nhận được thấp nhất là 300V, vậy ta có Vmax = 311V, ∆V = 11V, và tần số của tín hiệu ra ở mạch nắn toàn kỳ là fP = 100Hz, đối với mạch nắn

bán kỳ fP = 50Hz,

Vậy, từ phương trình (2.59),

( 1)

L L L

P

100Hz11V

11V3

f V

V

Mức gợn sóng không tuân theo dạng tiêu chuẩn bất kỳ nào (ví dụ như dạng sin hoặc răng cưa),

nên cần phải có một số cách đặc trưng riêng về độ lớn của dạng sóng Điện áp gợn Vr (rms) sẽ được tính theo:

32

(rms) max min r

V V

(2.60) Lưu ý rằng, sử dụng 3 ở mẫu số đúng hơn so với 2 vì với chỉ số 2 dùng để tính trị số hiệu dụng của sóng sin bằng biên độ chia cho 2 Đối với sóng tam giác, trị số hiệu dụng bằng biên

độ chia cho 3 Các chỉ số đó sẽ được kiểm chứng bằng cách lấy căn bậc hai của trị số trung bình bình phương của dạng sóng trong một chu kỳ Dạng sóng của gợn gần với dạng sóng răng cưa hơn so với sóng sin Trị số trung bình của điện áp gợn được cho là điểm giữa của dạng sóng

d) Mạch nhân đôi điện áp

Hình 2.30, là mạch tạo ra mức điện áp bằng khoảng hai lần mức điện áp ra đỉnh lớn nhất (khi

không tải), gọi là mạch nhân đôi điện áp Lưu ý rằng mạch giống như mạch chỉnh lưu cầu toàn

kỳ ở hình 2.26a, nếu không có hai diode đã được thay bằng hai tụ Khi điện áp vào có cực tính như hình vẽ, sẽ có hai thành phần dòng

chảy qua diode D1 Một dòng thành phần

chảy qua C2 nên tụ sẽ nạp lên mức Vmax

Một dòng thành phần khác thông qua điện

trở tải và C1 Nếu C1 đã được nạp lên mức

Vmax trong chu kỳ trước, thì tụ sẽ có mức

nguồn điện áp hiệu dụng khác Vmax mắc

nối tiếp với điện áp ra của biến áp, nên tải

sẽ có mức điện áp là gấp hai lần mức điện

và tạo ra ngay cặp điện tử - lỗ trống khác Tác động liên tục như vậy sẽ bẻ gãy các mối liên kết

đồng hóa trị, nên gọi là quá trình đánh thủng thác lũ

Có hai cơ chế phá vỡ các mối liên kết đồng hòa trị Sử dụng điện trường mạnh tại tiếp giáp có

thể trực tiếp làm cho mối liên kết bị gãy Nếu điện trường đặt vào một lực lớn vào điện tử trong mối liên kết, thì điện tử có thể bị bứt khỏi mối liên kết đồng hóa trị, nên tạo ra một số lượng cặp

điện tử - lỗ trống hợp thành theo cấp số nhân Cơ chế đánh thủng như vậy được gọi là đánh thủng zener Trị số điện áp đánh thủng zener được điều chỉnh bằng lượng pha tạp của diode

Diode được pha tạp đậm đặc sẽ có điện áp đánh thủng zener thấp, ngược lại diode được pha tạp loãng có điện áp đánh thủng zener cao

Mặc dù như mô tả ở trên có hai cơ chế đánh thủng, nhưng thông thường có giao thoa Tại các mức điện áp cao hơn khoảng 10V, chủ yếu là cơ chế đánh thủng thác Do hiệu ứng zener (thác lũ) xảy ra tại điểm có thể xác định trước, nên diode có thể sử dụng như một bộ chuẩn điện áp

Mức điện áp ngược mà tại đó xuất hiện đánh thủng thác lũ được gọi là mức điện áp zener

Đặc tuyến của diode zener điển hình thể hiện ở hình 2.31 Ký hiệu mạch của diode zener khác với ký hiệu mạch của diode thông thường, và được thể hiện trong cùng hình vẽ

Mức dòng ngược lớn nhất, IZmax mà diode zener có thể chịu được tùy thuộc vào cách chế tạo và

cấu trúc của diode Giả sử rằng, mức dòng zener nhỏ nhất mà tại đó đặc tuyến vẫn giữ tại VZ

(gần điểm khuỷu của đặc tuyến) là 0,1IZmax Mức công suất của diode zener có thể chịu đựng

(VZIZmax) là một yếu tố giới hạn trong việc thiết kế nguồn cung cấp

a) Mạch ổn định bằng diode zener

Diode zener có thể sử dụng làm bộ ổn định điện áp như mạch ở hình 2.32 Mạch cho thấy sự thay đổi dòng tải tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải Mạch được thiết kế để diode làm việc ở vùng đánh thủng, nên gần như một nguồn điện áp lý tưởng Trong các ứng dụng thực tế,

điện áp nguồn vS thay đổi và dòng tải cũng thay đổi Nhiệm vụ thiết kế là chọn trị số của Ri để cho phép diode duy trì mức điện áp ra gần như không đổi, ngay cả khi điện áp nguồn vào thay đổi, cũng như dòng tải thay đổi

Thực hiện phân tích mạch hình 2.36, để xác định đúng trị số của Ri Phương trình nút của mạch