th ngược chiều với E
tx. Các động tử đa số dưới tác dụng của điện trường ngoài sẽ chuyển động về
phía mặt tiếp xúc, làm giảm tình trạng thiếu nồng độ động tử đa số ở lớp chắn, bề rộng của lớp chắn hẹp lại(d
2< d
1). Các phần tử tải điện cơ bản dễ dàng vượt qua hàng rào thế, dòng khuếch tán tăng nhanh, dòng trôi có trị số rất nhỏ. Dòng điện toàn phần chảy qua tiếp giáp.
Dòng thuận I thtăng theo hàm số mũ 0 1 qUth kT th I I e (Hình 20b) (1.43)
Kết luận :Khi phân cực thuận, dòng điện qua tiếp giáp lớn và tăng nhanh theo điện áp, nó được xác định bằng dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ bản.
-Phân cực nghịch
Khi ta đặt điện áp âm của điện áp ngoài vào P và điện áp dương vào N ta có phân cực nghịch (Hình 21a). Điện trường ngoài Eng
cùng chiều với Etx
. Điện trường E
ngdo điện áp U
nggây nên trong lớp chắn sẽ làm cho các động tử đa số rời xa khỏi mặt tiếp xúc đi về hai phía. Kết quả làm cho lớp tiếp xúc càng thiếu động tử đa số hơn trước, do đó điện trở
N
Hình 20a. Phân cực thuận p-n
Hình 20b. Đặc tuyến Vôn-ampe P d1 d2 Utx- Uth Utx - - - + + + Ith Uth E th E + -
và bề dày của nó tăng lên. Hàng rào điện thế Utx Unglớn hơn U
tx, bề rộng của tiếp giáp rộng ra d2 d1, dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ bản giảm. Dòng trôi của phần tử tải điện không cơ bản không đổi vì nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất. Do hàng rào thế tăng lên, nó đẩy lùi điện tử trong N và lỗ trống trong P ra xa tiếp giáp. Ở một nhiệt độ nhất định, dòng I trôi không đổi gọi là
dòng điện bão hòa I0. Dòng điện toàn phần qua tiếp giáp PN:
0 1 qUng kT ng I I e (1.44)
q là điện tích của điện tử.
Ở nhiệt độ phòng, khi Ung khoảng vài phần mười volt thì qUng đã lớn hơn kT rất
nhiều, do đó ta có thể bỏ qua
qUng kT e
ở biểu thức trên. Lúc đó Ing I0. Khi tăng Ung
Utx Hình 21a. Phân cực nghịch p-n Hình 21b. Đặc tuyến Vôn-ampe N P d2 d1 Utx+ Ung Ung Uth Ing I0 Ith + + + - - - + - E ng E
dòng Ing nhanh chóng đạt giá trị I0 và trong một thời hạn rộng, dòng Ing không phụ thuộc vào Ung(Hình 21b).
Kết luận 2:Khi phân cực nghịch, dòng điện qua tiếp giáp rất nhỏ và hầu như không đổi, nó được xác định bằng dòng trôi của các phần tử tải điện không cơ bản.
Như vậy, tiếp giáp PN chỉ dẫn điện theo một chiều đó là chiều thuận, chiều ngược lại thì không. Ta gọi đây là hiệu ứng chỉnh lưu. Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I vào hiệu điện thế U được biểu diễn trên đồ thị ở hình vẽ
Dòng điện thuận có cường độ lớn và tăng nhanh theo hiệu điện thế thuận. Trong thực tế, người ta chỉ dùng điôt phân cực thuận đến giá trị hiệu đi ện thế thuận cỡ vài vôn. Vì với hiệu điện thế cao hơn, Ith có giá trị rất lớn, làm hỏng lớp chuyển tiếp.
Khi điôt phân cực nghịch, dòng ngược rất nhỏ và hầu như không tăng theo hiệu điện thế. Tuy nhiên, nếu Ungquá lớn, điện trường trong Et`
ở lớp chuyển tiếp quá lớn, thì sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng lớp chuyển tiếp và dòng Ing tăng mạnh.
Sự phụ thuộc của cường độ dòng
điện I vào hiệu điện thế U được biểu diễn trên đồ thị ở hình 17 Khi dòng điện đi từ p sang n thì cường độ dòng điện tăng nhanh với hiệu điện thế. Nói khác đi khi đó lớp tiếp xúc p -n có điện trở nhỏ ( vàI In g ).
Trái lại khi dòng điện đi từ n sang p thì cường độ dòng điện rất nhỏ( I Ith) và hầu
như không phụ thuộc vào hịêu điện thế. Nói khác đi khi đó lớp tiếp xúc p-n có điện trở rất lớn. Như vậy lớp tiếp xúc p -n có tính chất chỉnh lưu, nghĩa là có tính dẫn điện chủ yếu theo một chiều từ phía p sang phía n. Cần lưu ý rằng sự tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn cũng có tính dẫn điện một chiều như vậy.
5.5. CÁC HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
Ta biết rằng, trong bán dẫn khi nhiệt độ tăng lên các phần tử mang dòng (electron và lỗ trống) tăng lên và năng lượng của chúng cũng tăng lên. Đó là sự khác nhau căn bản giữa bán dẫn và kim loại. Do đó trong mạch gồm các bán dẫn tiếp xúc với nhau ta có thể thu được suất nhiệt điện động lớn.
Giả sử nhiệt độ trong các phần của bán dẫn loại n là khác nhau. Khi đó ở các chỗ có nhiệt độ cao mật độ của êlectrôn là lớn và vận tốc chuyển động nhiệt củ a chúng lớn, các electron sẽ di chuyển từ phần đó của bán dẫn về các chỗ lạnh hơn. Kết quả là đầu nóng bán dẫn n tích điện dương, còn đầu lạnh tích điện âm, giữa hai đầu xuất hiện một điện
trường có tác dụng làm ngăn cản sự di chuyển tiếp theo của electro n. Cuối cùng, trong bán dẫn loại n đó có thiết lập một trạng thái cân bằng và giữa phần nóng và phần lạnh của bán dẫn đó có một hiệu điện thế xác định. Hiệu điện thế đó lớn hơn hiệu điện thế trong kim loại hàng chục và hàng trăm lần và đạt tới trị số khoản g 103V ứng với sự chênh lệch nhiệt độ bằng một độ. Nếu các bán dẫn có sự chênh lệch nhiệt độ được ghép với nhau thành một mạch điện kín (hoặc thành một phần của mạch điện) ta có một pin nhiệt điện bán dẫn: trong mạch có xuất hiện một suất nhiệt điện động và do đó có một dòng điện. Hiệu suất của pin nhiệt điện bán dẫn đạt tới 10%. Vì các pin nhiệt điện bán dẫn có cấu tạo đơn giản, có kích thước nhỏ và có độ bền vững trong hoạt động nên có thể dùng chúng ở những nơi không có dòng điện khác.
Hiện tượng Penchiê cũng xảy ra đối với bán dẫn. Nếu tại một mối hàn (khó tiếp xúc) của hai bán dẫn thuộc loại khác nhau do tác dụng của điện trường ngoài (đặt vào đó vào một hiệu điện thế) các electron và lỗ trống đi tới gặp nhau thì chúng tái hợp với nhau: các electron của bán dẫn n đi vào trong bán dẫn loại p và chiếm chỗ của lỗ trống trong miền hoá trị. Khi đó sẽ giải phóng ra, cả lượng năng lượng cần thiết dùng để tạo thành electron tự do trong bán dẫn loại n và lỗ trống trong bán dẫn loại p, và cả động năng của electron và của lỗ trống. Lượng năng lượng giải phóng ra như thế được truyền cho mạng tinh thể và làm cho mối hàn đó nóng lên. Còn nếu ở một mối hàn nào đó, dòng điện chạy qua lại có tác dụng xua đuổi các electron và các lỗ trống ra xa ch ỗ tiếp xúc giữa hai bán dẫn, thì sự giảm đi của các phần tử mang dòng tại lớp tiếp xúc sẽ được bổ sung bằng sự sinh ra cặp electron và lỗ trống. Muốn cho cặp electron và lỗ trống được tạo thành cần phải tiêu hao một năng lượng nhất định, lượng năng lượng n ày được lấy đi từ mạng tinh thể, kết quả là mối hàn đó lạnh đi.
Dựa vào nguyên tắc đó người ta sử dụng hiện tượng Penchiê để chế tạo các thiết bị làm lạnh: các mối hàn thuộc cùng một loại( tương ứng với sự chuyển từ n sang p chẳng hạn) được dựa vào vùng cầ n làm lạnh, còn các mối hàn thuộc các loại khác( tương ứng với sự chuyển từ p sang n) được đưa ra ngoài. Với chiều dòng điện thích hợp các mối hàn bên trong sẽ hấp thụ nhiệt, do đó làm hạ nhiệt độ của không gian xung quanh chúng; còn các mối hàn bên ngoài sẽ nhường bớt nhiệt cho môi trường bên ngoài.
Người ta cũng dùng hiện tượng Penchiê để sưởi ấm các phòng ở bằng điện, trong trường hợp đó mối hàn hấp thụ nhiệt được đưa ra ngoài, còn mối hàn toả nhiệt được đặt bên trong phòng. Phép toán chứng tỏ rằng: khi nào có dòng điện chạy theo chiều thích hợp, ta có thể thu được ở mối hàn trong một lượng nhiệt toả ra lớn hơn gần gấp đôi so với lượng năng lượng cần tiêu hao để tạo ra dòng điện. Năng lượng còn lại đã được lấy từ môi trường bên ngoài. (Nếu đôi ngược chiề u thiết bị này lại có tác dụng làm giảm nhiệt trong
phòng khi trời nắng)
IV.4. Ưu và khuyết điểm của dụng cụ bán dẫn
- So với dụng cụ điện tử bằng chân không (đèn điện tử), dụng cụ bán dẫn có nhiều ưu điểm vượt trội:
- Kích thước rất nhỏ, trọng lượng rất bé.
- Tiêu thụ rất ít năng lượng, nguồn điện áp cung cấp rất thấp. - Tuổi thọ rất cao (hàng vạn giờ)
- Sức bền cơ học rất lớn.
- Hoạt động ngay vì không cần nung nóng cathode
+ Tuy nhiên dụng cụ bán dẫn vẫn còn một số khuyết điểm sau:
- Hoạt động phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ tiếp giáp cao có thể hỏng ngay. - Đấu ngược cực tính của nguồn cung cấp sẽ hỏng ngay tiếp giáp PN.
- Tham số và đặc tuyến sai khác nhau nhiều (cùng một tên dụng cụ bán dẫn có thể có các tham số khác nhau)
- Tiếng ồn lớn.
Tính chất của lớp tiếp xúc p-n đã được dùng để tạo nên các điôt bán dẫn, trandito...