Chương 3 Chuyển tiếp N
3.1.1 Miền điện tích không gian
Trong chương 2 đã nói, với bán dẫn loại P lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là dẫn thiểu số. Trong bán dẫn loại N điện tử là hạt dẫn đa số còn lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Khi cho bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc với nhau do có sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn, các điện tử từ miền N sẽ khuếch tán sang miền P và ngược lại lỗ trống từ miền P sẽ khuếch tán sang miền N. Điều này dẫn tới ở phía bán dẫn loại P tại gần bề mặt tiếp xúc chỉ còn lại các ion âm của các nguyên tử acceptor pha tạp vào bán dẫn đã bị ion hóa. Tương tự như vậy, phía bán dẫn loại N tại gần bề mặt tiếp xúc chỉ còn lại các ion dương của các nguyên tử donor pha tạp vào bán dẫn đã bị ion hóa.
Chúng ta cần nhớ rằng ban đầu trong bán dẫn có sự cân bằng về điện tích, nghĩa là có bao nhiêu hạt dẫn đa số thì có bấy nhiêu nguyên tử tạp chất bị ion hóa.
Kết quả là do sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số qua chuyển tiếp PN mà tại miền chuyển tiếp đã mất đi đặc tính trung hòa về điện. Bên phía bán dẫn loại P thì tồn tại các ion âm, bên phía bán dẫn loại N thì tồn tại các ion dương. Điều đó có nghĩa là tại bề mặt miền chyển tiếp tồn tại một điện trường có hướng từ loại bán dẫn N sang bán dẫn loại P. Ta gọi điện trường đó là điện trường nội. Vùng chỉ tồn tại các ion âm bên bán dẫn loại P và ion dương bên bán dẫn loại N được gọi là vùng nghèo hay vùng điện tích không gian.
53
Do có hướng từ miền N sang miền P nên điện trường này có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số qua chuyển tiếp PN nhưng lại có tác dụng cuốn các hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp PN. Hình 3.1 minh họa quá trình này.
Như vậy điện trường nội có tác dụng ngăn cản sự di chuyển của các hạt đa số nhưng lại có tác dụng tăng cường sự cuốn các hạt thiểu số qua chuyển tiếp PN.
Sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số xảy ra càng mãnh liệt, vùng điện âm, dương ở hai phía bán dẫn P và N càng rộng ra, nghĩa là số điện tích tăng lên làm cho điện trường nội cũng tăng lên. Điều này dẫn đến dòng khuếch tán của các hạt dẫn đa số giảm đi còn dòng cuốn các hạt dẫn thiểu số ngày một tăng lên. Cuối cùng sẽ làm cho dòng cuốn bằng dòng khuếch tán, tức là có bao nhiêu hạt dẫn đưa từ bán dẫn P sáng bán dẫn N thì có bấy nhiêu hạt dẫn từ bán dẫn loại N đưa sang bán dẫn P. Khi đó chuyển tiếp PN đạt trạng thái cân bằng. Tất nhiên đó là trạng thái cân bằng động. Sự hình thành điện trường nội và vùng nghèo được minh họa ở hình 3.1.
Trong trạng thái cân bằng có bao nhiêu ion âm bên bán dẫn loại P thì có bấy nhiêu ion dương bên bán dẫn loại N, do đó cường độ điện trường cũng có một giá trị xác định. Miền chứa các ion trên được gọi là vùng nghèo như trên đã nói. Trong vùng này lý tưởng chỉ tồn tại các ion âm và ion dương. Khoảng cách từ bờ miền điện tích không gian ở bán
Lỗ trống Tạp chất acceptor bị ion hóa Mặt tiếp xúc Tạp chất donor bị ion hóa Điện tử tự do Hình 3.1. Sự hình thành chuyển tiếp PN N P Xm Etx
54
dẫn loại P đến miền điện tích không gian ở bán dẫn loại N được gọi là độ rộng vùng nghèo. Trong trạng thái cân bằng độ rộng vùng nghèo cũng hoàn toàn xác định. Ta kí hiệu là Xm. Sau đây ta tìm biểu thức xác định điện trường nội và độ rộng vùng nghèo.