Thay vỡ pha vào Si thuần một nguyờn tố thuộc nhúm V, ta pha vào những nguyờn tố thuộc nhúm III như Indium (In), Galium (Ga), nhụm (Al),... Bỏn kớnh nguyờn tử In gần bằng bỏn kớnh nguyờn tử Si nờn nú cú thể thay thế một nguyờn tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyờn tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyờn tử Si kế cận tạo thành 3 nối húa trị, cũn một điện tử của Si cú năng lượng trong dải húa trị khụng tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta cú
Dải húa trị ở nhiệt độ T=00K Dải dẫn điện Mức Femi tăng E 0,05eV 1,12eV
Điện tử thừa của As Điện tử thừa của As
một trang thỏi năng lượng trống cú năng lượng EA nằm trong dải cấm và cỏch dải húa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08eV.
Nếu ta gọi NA là mật độ những nguyờn tử In pha vào (cũn được gọi là nguyờn tử nhận), ta cũng cú: p = n + NA
p: mật độ lỗ trống trong dải húa trị. n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. Người ta cũng chứng minh được:
n.p = ni2 (p>n)
ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bỏn dẫn thuần trước khi pha.
Hỡnh 2.4. Cấu trỳc mạng liờn kết nguyờn tử của vật chất
Chất bỏn dẫn như trờn cú số lỗ trống trong dải húa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện được gọi là chất bỏn dẫn loại P.
Như vậy, trong chất bỏn dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử.
1.2.Nguyờn lý hoạt động của bỏn dẫn
* Sự hỡnh thành tiếp giỏp P-N.
Hỡnh 2.5 Tiếp giỏp P-N
Từ một tinh thể bỏn dẫn đồng nhất bằng cỏc biện phỏp cụng nghệ khỏc nhau người ta pha tạp chất khỏc loại vào mạng tinh thể. Miền giao nhau giữa hai vựng bỏn dẫn khỏc nhau gọi là chuyển tiếp PN. Mụ tả kết cấu lý tưởng húa của chuyển tiếp PN mụ tả trờn hỡnh 2.5
Xột mụ hỡnh lý tưởng húa chỳng ta nhận thấy cú quỏ trỡnh vật lý xảy ra khi cú sự tiếp xỳc giữa hai miền bỏn dẫn P và N .
Quỏ trỡnh hỡnh thành chuyển tiếp PN xảy ra như sau:
Nối húa trị khụng được thành lập Lỗ trống + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ Tiếp giỏp P-N Bỏn dẫn N Bỏn dẫn P + PP >> NP NN >> PN _ ION tạp chất cho ION tạp chất nhận Lỗ trống Điện tử
Trong chất bỏn dẫn P nồng độ “lỗ” rất lớn so với nồng độ điện tử cũn trong vựng bỏn dẫn N nồng độ điện điện tử lại rất lớn so với nồng độ “lỗ”. Vỡ sự mất cõn bằng về nồng độ động tử cựng loại nờn khi cú sự liờn thụng “ tiếp xỳc” giữa vựng P với vựng N thỡ cỏc động tử đa số sẽ di chuyển qua mặt ghộp xu hướng để cõn bằng nồng độ.
“Lỗ” khuếch tỏn từ P sang N để lại vị trớ cũ của nú một điểm thưa điện tớch õm đõy chớnh là cỏc ion õm ở Ở vựng tiếp giỏp bờ tiếp xỳc bờn N.
Ngược lại với sự di chuyển của “lỗ”, cỏc điện tử lại khuếch tỏn từ N sang P và để lại bờn bờ N một lớp điện tớch dương gọi là cỏc ion dương.
Kết quả là ở vựng tiếp xỳc đó xuất hiện hai miền điện tớch trỏi dấu chứa cỏc ion của cỏc nguyờn tử bỏn dẫn đó mất đi là lỗ trống hoặc điện tử. Sự di chuyển của “lỗ” và điện tử qua mặt tiếp tiếp xỳc tạo nờn dũng khuếch tỏn( Ikt)cú chiều từ P sang N. Dũng khuếch tỏn là dũng chuyển dời của cỏc động tử đa số tạo nờn.
Hỡnh 2.6 Sự hỡnh thành chuyển tiếp PN
Vựng chứa cỏc ion dương bờn N và vựng chứa ion õm bờn P cú độ dày XP và XN. Trong hai miền này khụng cú động tử õm dương nờn cũn gọi là miền nghốo động tử. Độ dày của XP và XN tăng dần, nhưng đến một lỳc nào đú ( khi P và N cõn bằng về nồng độ) thỡ độ rộng XP và XN khụng tăng nữa và cố định lại đõy là chuyển tiếp PN đó hỡnh thành xong. Cựng với sự xuất hiện của dũng khuếch tỏn cũn cú sự xuất hiện của dũng trụi.
Do giữa hai bờn của chuyển tiếp hỡnh thành hai lớp điện tớch (tĩnh) trỏi dấu (hỡnh 2.6) nờn giữa chỳng xuất hiện một điện trường tiếp xỳc (Etx) và hiệu điện thế tiếp xỳc (Utx) cú chiều từ N sang P.
Điện trường tiếp xỳc Etx tỏc động lờn động tử thiểu số( điện tử trong P và “lỗ” trong N)., làm chỳng chuyển động qua mặt ghộp, dũng trụi xuất hiện. Vậy qu a mặt ghộp cú hai dũng chuyển động ncgược chiều nhau(Ikt cú chiều từ P sang N, Itrụi cú chiều từ N sang P) lỳc đầu I kt lớn Itrụi nhỏ sau đú Ikt giảm dần và I trụi tăng dần. Khi trị tuyệt đối của Ikt bằng Itrụi lỳc này tổng dũng qua mặt ghộp bằng khụng.
Đõy chớnh là thời điểm mặt ghộp cõn bằng độ rộng của miền nghốo động tử khụng tăng nữa.
Lỳc này chỳng ta coi chuyển tiếp PN được hỡnh thành xong. Trạng thỏi cõn bằng của chuyển tiếp PN( | Ikt | = | Itrụi| và hai đầu chuyển tiếp để hở cực) được thiết lập khi chuyển tiếp PN đó hỡnh thành xong. Nếu như lỳc này chỳng ta
_ P P + N Pn nP JTR nn PP XP XN Utx
phỏ vỡ một trong hai điều kiện của trạng thỏi cõn bằng thỡ PN rơi vào trạng thỏi khụng cõn bằng.
Ở trạng thỏi cõn bằng hay khụng cõn bằng cỏc đặc trưng, tớnh chất và tham số của PN sẽ biến đổi và khỏc nhau.
2.Diod
Mục tiờu:
- Trỡnh bày được cấu tạo, ký hiệu và đặc tuyến của diod.
2.1.Cấu tạo, nguyờn lý, đặc tuyến của mặt ghộp mặt P-N 2.1.1 Cấu tạo – kớ hiệu
Diode bỏn dẫn (semiconductor diode) là dụng cụ bỏn dẫn cú một mối nối P- N. Từ mẫu bỏn dẫn lọai P tiếp xỳc kim loại đưa chõn ra (cực ra) anode (A: cực dương). Mẫu bỏn dẫn lọai N tiếp xỳc kim loại đưa chõn ra cathode (K: cực õm). Bờn ngoài cú bọc bởi lớp plastic.
Cú nhiều cụng nghệ chế tạo: cấy ion, khuếch tỏn chất kớch tạp vào bỏn dẫn cú tạp chất loại ngược lại, kộo lớp epitaxy,….
Vớ dụ: Một diode cú thể tạo ra bằng cỏch bắt đầu với mẫu bỏn dẫn loại N cú pha tạp
chất Nd và chuyển đổi cú chọn lọc một phần của mẫu bỏn dẫn thành loại P bằng cỏch thờm cỏc tạp chất nhận điện tử cú Na > Nd. Điểm mà vật liệu thay đổi từ loại P sang loại N được gọi là tiếp xỳc luyện kim (mối nối luyện kim) (metallurgical junction). Mẫu bỏn dẫn loại P tiếp xỳc kim loại đưa ra cực anode (A). Mẫu bỏn dẫn loại N tiếp xỳc kim loại đưa ra cực Cathode (K).
A: Anode: cực dương K: Cathode: cực õm