- Điện áp phĩng điện một chiều Vsdc
Chương 4: DIODE ZENER VAØ ZENER TVS
4.1 CHẤT BÁN DẪN VAØ CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN
4.1.1 MẠNG TINH THỂ VAØ LIÊN KẾT HỐ TRỊ
Các chất bán dẫn điển hình như Gemanium (Ge) và Silicium (Si),… thuộc
nhĩm 4 bảng hệ thống tuần hồn các nguyên tố hố học. Chúng cấu tạo từ những tinh thể hình dạng xác định, trong đĩ các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ, tuần hồn, tạo nên một mạng lưới, gọi là mạng tinh thể. Chẳng hạn mạng tinh thể của Si cĩ hình tứ diện.
Hiện nay diode zener sử dụng silicon như là vật liệu cơ bản. Cấu trúc các tinh thể bán dẫn bằng mơ hình phẳng hình [4.1]. Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn Si luơn cĩ 4 nguyên tử khác kề cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đĩ. Mỗi nguyên tử này đều cĩ 4 điện tử hĩa trị ở lớp vỏ ngồi cùng. Do khoảng cách của các nguyên tử rất gần, các điện tử này chịu ảnh hưởng của các nguyên tử xung quanh. Vì vậy điện tử hố trị của 2 nguyên tử cạnh nhau cùng cĩ những quỹ đạo chung. Quỹ đạo chung đĩ ràng buộc nguyên tử này với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hĩa trị. Như vậy, do liên kết với 4 nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngồi cùng của mỗi nguyên tử Si như được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của lớp vỏ (8 điện tử) và do đĩ, lớp này trở thành bền vững. Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn khơng cĩ điện tích tự do và khơng dẫn điện.
Tình trạng trên xảy ra trong một chất bán dẫn thuần khiết cĩ cấu trúc tinh thể
hồn chỉnh và ở nhiệt độ rất thấp (T= 00K). Khi chất bán dẫn cĩ nhiệt độ cao
hơn (hoặc được cung cấp năng lượng dưới dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá
bởi các chùm tia…), một số điện tử hố trị nhận thêm năng lượng sẽ thốt khỏi
mối liên kết với các nguyên tử trở thành tự do. Chúng mang điện tích âm và sẵn
sàng chuyển động cĩ hướng khi cĩ tác dụng của điện trường. Đĩ là điện tử tự
do. Khi một điện tử tự do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thốt khỏi sẽ
Chương4 Diode Zener và Zener TVS
Học viên : Đỗ Bình Dương Trang 28
thiếu mất một điện tích âm (-q), nghĩa là dư một điện tích dương (+q). Đĩ là một
lỗ trống.
Như vậy, trong chất bán dẫn thuần khiết cĩ 2 loại điện tích tự do cùng xuất hiện khi được cung cấp năng lượng: điện tử và lỗ trống. Mật độ của chúng là bằng nhau. Điện tử và lỗ trống là 2 loại hạt mang điện, gọi chung là hạt dẫn, khi chuyển động cĩ hướng sẽ tạo ra dịng điện.
4.1.2 BÁN DẪN LOẠI N VAØ BÁN DẪN LOẠI P Chất bán dẫn loại N: Chất bán dẫn loại N:
Chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhĩm V
(phospho) với hàm lượng thích đáng sao cho các nguyên tử tạp chất này chiếm chỗ một trong những nút của mạng tinh thể thì cơ chế dẫn điện sẽ thay đổi. Thật vậy, nguyên tử tạp chất (phospho) vỏ ngồi cùng cĩ 5 điện tử hình [4.2], trong đĩ 4 điện tử tham gia liên kết hố trị với nguyên tử lân cận. Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, cho nên chỉ được cung cấp một năng lượng nhỏ điện tử này sẽ thốt khỏi trạng thái ràng buộc, trở thành hạt dẫn tự do. Nguyên tử tạp chất khi đĩ bị ion hố trở thành ion dương. Nếu cĩ điện trường đặt vào, các hạt dẫn tự do nĩi trên sẽ chuyển động cĩ hướng, tạo nên dịng điện. Tạp chất nhĩm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho (donor). Chất bán dẫn cĩ pha tạp tạp chất donor gọi là bán dẫn loại N (bán dẫn điện tử).
Chất bán dẫn loại P:
Chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhĩm III
(Bore), do lớp vỏ ngồi cùng của các nguyên tử tạp chất chỉ cĩ 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của chất bán dẫn (Si) hình 4.3. chỉ tạo nên 3 mối liên kết hồn chỉnh, cịn mối liên kết thứ tư bị bỏ hở. Chỉ cần một kích thích nhỏ là một trong những điện tử của các mối liên kết hồn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở nĩi trên. Nguyên tử tạp chất lúc đĩ sẽ trở thành một ion âm. Tại mối liên kết mà nguyên tử vừa đi khỏi sẽ dư ra một điện tích dương, nghĩa là
Chương4 Diode Zener và Zener TVS
Học viên : Đỗ Bình Dương Trang 29
xuất hiện một lỗ trống. Nếu cĩ điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia
dẫn điện. Như vậy, tạp chất nhĩm III tiếp nhận điện tử từ chất cơ bản để làm sản sinh các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor). Chất bán dẫn cĩ pha tạp chất nhĩm III gọi là bán dẫn loại P (bán dẫn lỗ trống).
4.1.3 MỐI NỐI P- N Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG
Giả sử cĩ hai khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau theo tiết diện
phẳng. Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích dương cân bằng với điện tích âm trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất phân bố đều. Khi tiếp xúc nhau do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, cịn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại, chúng tạo nên dịng khuếch tán. Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, làm cho trên vùng hẹp ở hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp. Tại vùng đĩ, bên bán dẫn loại P hầu như chỉ cịn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn loại N hầu như chỉ cịn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành hai lớp điện tích khơng gian trái dấu đối diện nhau. Giữa hai lớp điện tích này sẽ cĩ sự chênh lệch điện thế (bên N dương hơn bên P)
gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx. Nghĩa là trong vùng lân cận mặt ranh giới đã
xuất hiện một điện trường ( hướng từ N sang P) gọi là điện trường tiếp xúc. Vùng hẹp nĩi trên gọi là vùng nghèo hoặc chuyển tiếp P-N. Nồng độ hạt dẫn trong vùng này chỉ cịn rất thấp, cho nên điện trở suất của nĩ rất lớn so với vùng cịn lại.
Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt dẫn thiểu số của hai miền bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường,
Chương4 Diode Zener và Zener TVS
Học viên : Đỗ Bình Dương Trang 30
điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dịng trơi, ngược chiều với dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số. Nồng độ hạt dẫn đa số trong hai khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, do đĩ điện trường tiếp xúc càng tăng và dịng điện trơi của hạt dẫn thiểu số cũng càng tăng. Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời gian ngắn, dịng trơi và dịng khuếch tán trở nên cân bằng và dịng tổng hợp qua mặt ranh giới sẽ bằng khơng. Khi đĩ chuyển tiếp P-N ở trạng thái cân bằng, và hiệu điện thế tiếp xúc giữa bán dẫn N và bán dẫn P cĩ một giá trị nhất định. Thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,35V đối với Ge và 0,7V đối với Si. Hiệu điện thế này ngăn cản khơng cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên gọi là hàng rào điện thế.
4.1.4 CHUYỂN TIẾP P-N KHI CĨ ĐIỆN ÁP NGOAØI
Giả sử điện áp nguồn V được nối như hình 4.4.b, P nối cực âm, N nối
với cực dương, tức là phân cực nghịch. Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngồi vùng nghèo là khơng đáng kể. Lúc đĩ gần như tồn bộ điện áp V sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc. Tình trạng cân bằng
trước đây khơng cịn nữa. Điện trường E cùng chiều với Etx sẽ làm hạt dẫn đa số
của hai bán dẫn rời xa khỏi mặt ranh giới, đi về hai phía. Do đĩ vùng nghèo bị
mở rộng, điện trở của nĩ tăng. Hàng rào điện thế trở thành (Vtx+V) khiến dịng
khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhỏ, cịn dịng trơi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số vốn rất bé, cho nên trị số dịng này chỉ rất nhỏ và dịng điện ngược này nhanh chĩng đạt tới giá trị bão hịa.
Giả sử điện áp nguồn V được nối như hình 4.4.a, P nối cực dương, N nối với cực âm, tức là phân cực thuận, thì tình hình sẽ ngược lại. Hàng rào điện thế
giảm độ cao chỉ cịn (Vtx– V), cho nên hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua
hàng rào qua miền đối diện, gọi là hiện tượng phun hạt dẫn. Tình trạng thiếu hụt hạt dẫn trong vùng nghèo sẽ được giảm bớt, khiến bề dày vùng nghèo thu hẹp và điện trở vùng này giảm. Dịng hạt dẫn đa số do hiện tượng phun hạt dẫn gây nên tăng nhanh theo điện áp V, cịn dịng trơi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo V. Trị số của dịng điện thuận lớn hơn dịng điện ngược rất nhiều.
Chương4 Diode Zener và Zener TVS
Học viên : Đỗ Bình Dương Trang 31