Điện trƣờng của chuyển tiếp P-N khụng những chỉ gia tốc cỏc hạt thiểu số mà cũn cung cấp năng lƣợng cho cỏc nguyờn tử lớp ngoài cựng của nguyờn tử bỏn dẫn. Nếu những điện tử này nhận đƣợc năng lƣợng đủ lớn, chỳng cú thể tỏch khỏi nguyờn tử trở thành điện tử tự do. Hiện tƣợng ion hoỏ này gọi là hiện tƣợng ion hoỏ do điện trƣờng. Nếu điện ỏp ngƣợc đặt vào lớn, điện trƣờng ngƣợc đặt vào lớn, hiện tƣợng ion hoỏ xảy ra trờn nhiều nguyờn tử bỏn dẫn và do đú số hạt dẫn tăng lờn đột ngột làm cho dũng ngƣợc đột ngột tăng lờn. Hiện tƣợng đỏnh thủng này cũn gọi là hiện tƣợng đỏnh thủng xuyờn hầm hay đỏnh thủng Zenner.
Ta cú thể giải thớch 2 cơ chế đỏnh thủng bằng giản đồ vựng năng lƣợng
Hỡnh 3.7. Cơ chế đỏnh thủng theo mụ hỡnh vựng năng lượng
+ Khi đỏnh thủng thỏc lũ, cỏc điện tử trong vựng hoỏ trị do nhận đƣợc năng lƣợng do va chạm, nhảy thẳng lờn vựng dẫn, do đú nồng độ hạt dẫn trong bỏn dẫn tăng lờn.
+ Khi đỏnh thủng xuyờn hầm, cỏc điện tử hoỏ trị lờn vựng dẫn khụng phải nhảy qua vựng cấm mà đi theođƣờng hầm. Bởi do điện ỏp phõn cực ngƣợc lớn nờn độ uốn cong của giản đồ năng lƣợng tới một lỳc nào đú do cú một số điện tử trong vựng hoỏ trị bờn P cú thế năng lớn hơn hay ớt ra cũng bằng thế năng của điện tử trong vựng bỏn dẫn loại N, vớ dụ vị trớ A và B trờn hỡnh. Điện trƣờng ngƣợc càng lớn,độ uốn giản đồ vựng năng lƣợng càng nhiều xỏc suất xuyờn hầm càng tăng. Độ rộng xuyờn hầm giảm tới một giỏ trị nhất định, số hạt dẫn xuyờn hầm tăng lờn đột ngột gõy ra hiện tƣợng đỏnh thủng xuyờn hầm.
Nhận xột: - Khú phõn biệt giữa đỏnh thủng thỏc lũ, đỏnh thủng xuyờn hầm
trỡnh.
- Hệ số nhiệt độ của điện ỏp đỏnh thủng xuyờn hầm cú giỏ trị õm, của điện ỏp đỏnh thủng thỏc lũ cú giỏ trị dƣơng.
3.4. Điốt bỏn dẫn sử dụng chuyển tiếp p-n
3.4.1. Điụt chỉnh lƣu
Điốt bỏn dẫn cú cấu tạo là một chuyển tiếp P-N với hai điện cực nối ra ngoài phớa miền P gọi là atụt và phớa miền N gọi là catốt. Nối tiếp điốt bỏn dẫn với một nguồn điện ỏp ngoài qua một điện trở hạn chế dũng, biến đổi cƣờng độ và chiều của điện ỏp ngoài, ngƣời ta thu đƣợc đặc tuyến Von –Ampe của điốt cú dạng nhƣ sau:
Hỡnh 3.10. Đặc tuyến Von –Ampe của điốt chỉnh lưu
Trong vựng (1) và (2) phƣong trỡnh mụ tả đƣờng cong cú dạng:
1 AK A S T U I I (T)[exp( ) ] mU Trong đú:
hạt ta cú điốt + IS là dũng điện ngƣợc bóo hoà cú giỏ trị gần nhƣ khụng phụ thuộc vào UAK, chỉ phụ thuộc vào nồng độ thiểu số lỳc cõn bằng, vào độ dài khuyếch tỏn tức là vào bản chất cấu tạo chất bỏn dẫn tạp chất loại n và p và do đúphụ thuộc vào nhiệt độ.
+ UT kT q
gọi là thế nhiệt, ở nhiệt độ T=3000
K, q=1,6.10-19C,
k= 1,38.10-23J/K, UT =25,5mV .
Tại vựng mở (phõn cực thuận): UT và Is cú phụthuộc vào nhiệt độ nờn dạng đƣờng cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt xỏc định bởi đạo hàm riờng UAK theo nhiệt độ
2 AK A const U | I mV/ K T
Nghĩa là giữ cho dũng điện thuận qua van khụng đổi, điện ỏp thuận giảm theo nhiệt độ với tốc độ -2mV/K.
Tại vựng khoỏ (phõn cực ngƣợc): giỏ trị Is nhỏ và tăng gấp đụi khi gia số nhiệt độ tăng 100
C.
Trong cỏc mạch điện thực tế ngƣời ta cú cỏc biện phỏp ổn định bỏn dẫn khi làm việc và chống (bự) lại cỏc nguyờn nhõn do nhiệt độ gõy ra.
Tại vựng đỏnh thủng (khi UAK <0 và cú trị số đủ lớn) dũng điện ngƣợc tăng lờn đột ngột trong khi đú điện ỏp giữa A và K khụng tăng.
3.4.2. Điốt Zenner
a. Đặc tuyến Volt – Ampe
Khi phõn cực thuận, điốt Zenner hoạt động nhƣ một điốt thụng thƣờng. Đặc tuyến V-A của điốt Zenner giống nhƣ đặc tuyến của một điốt phõn cực thuận thụng thƣờng.
Khi phõn cực ngƣợc bằng một điện ỏp lớn. Hiệu ứng xảy ra trong điốt Zenner là hiệu ứng thỏc lũ và hiệu ứng Zenner (phần trờn). Nhƣ vậy ở nhỏnh ngƣợc của đặc tuyến V-A sẽ xuất hiện một điện ỏp rất ổn định UZ khi dũng ngƣợc tăng khụng đỏng kể.
b. Ứng dụng của điụt Zenner
Ổn định điện ỏp phõn cực thuận trờn cỏc chuyển tiếp PN khi nhiệt độ thay đổi là vấn đề quan trọng khiến cỏc dụng cụ bỏn dẫn làm việc ổn định. Chuyển tiếp PN của đỉụt bỏn dẫn Si cú hệ số nhiệt õm trong khi đú điụt ổn định cú hệ số nhiệt dƣơng. Ngƣời ta lợi dụng đặc tớnh này để bự nhiệt.
Vớ dụ:Một điụt ổn định cú UZ = 6,2 V, ở nhiệt độ 250C cú hệ số nhiệt độ là 0,02%/C, đƣợc mắc nối tiếp với điụt Si cú điện ỏp thuận Uth =0,7V và hệ số nhiệt õm = - 1,8mV/0C. Hóy xỏc định điện ỏp và hệ số nhiệt độ của tổ hợp này, Tớnh giỏ trị điện ỏp của tổ hợp ở 500C.
Hệ số nhiệt tuyệt đối của điốt ổn định: θT = (6,2. 0,02)/100V/0
C = 1,24mV/0C Hệ số nhiệt độ tuyệt đối của cả tổ hợp: θT = (1,24 -1,8)mV/0
C = -0,56mV/0C Điện ỏp của cả tổ hợp ở 250C:
U = UZ + Uth = 6,2 + 0,7 = 6,9 V Hệ số nhiệt độ tƣơng đối của cả tổ hợp: θT = (-0,00056.100).6,9%/0C = -0,008%/0C Điện ỏp của cả tổ hợp ở 500
C: U = 6,9 V -0,56mV(500 – 250
) = 6,886V
Nhận xột: Nếu dựng điụt ổn định để bự nhiệt độ thỡ hệ số nhiệt của cả tổ hợp giảm đi nhiều và do đú và do đú khi nhiệt độ mụi trƣờng thay đổi lớn, điện ỏp của cả tổ hợp thay đổi khụng đỏng kể.
Điụt ổn định cú thể đƣợc dựng riờng lẻ hoặc phối hợp với cỏc dụng cụ bỏn dẫn khỏc để ổn định điện ỏp.
3.4.3. Điốt Tunnel và điụt ngƣợc
3.4.3.1. Điụt Tunnel
Đối với bỏn dẫn loại P nồng độ tạp chất càng lớn, mức Fecmi càng dịch chuyển gần về phớa đỉnh vựng hoỏ trị, cũn đối với bỏn dẫn N, nồng độ tạp chất càng lớn mức Fecmi càng dịch chuyển gần về đỏy vựng dẫn.
Trong cỏc điốt chỉnh lƣu, do mức độ pha tạp vừa phải, mức Fecmi trong điều kiện cõn bằng nhiệt động nằm ở giữa vựng cấm. Sự di chuyển của cỏc hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp PN khi phõn cực ngƣợc chủ yếu do tỏc dụng cuốn của điện trƣờng qua rào thế, cũn sự di chuyển của cỏc hạt dẫn đa số qua chuyển tiếp PN phõn cực thuận chủ yờỳ là do khuếch tỏn vƣợt qua rào thế.
Nếu tăng nồng độ hạt dẫn trong bỏn dẫn P và bỏn dẫn N đạt 1019/cm3 trở lờn. Khi đú độ rộng miền điện tớch khụng gian càng hẹp (vài um). Mức Fecmi trong giản đồ vựng năng lƣợng sẽ nằm sõu vào đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P.
Hỡnh 3.12.Giản đồ năng lƣợng của chuyển tiếp PN
Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, giữa đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P cú những mức năng lƣợng bằng nhau. Do đú sẽ cú những điện tử đi từ vựng hoỏ trị sang vựng dẫn mà khụng cần vƣợt qua rào thế của chuyển tiếp PN (lỗ trống đi theo chiều ngƣợc lại). Sự di chuyển theo phƣơng thức này gọi là hiệu ứng đƣờng hầm. Nhƣ vậy khi khụng cú điện ỏp ngoài đặt vào điụt Tunnel vẫn tồn tại hai dũng tunnel: dũng tunnel điện tử đi từ vựng hoỏ trị sang vựng dẫn I v-e và dũng Tunnel điện tử từ vựng dẫn đến vựng hoỏ trị Ie-v.Trong trƣờng hợp cõn bằng (khụng cú điện ỏp ngoài đặt vào) cƣờng độ I e –v và Iv-e bằng nhau nhƣng ngƣợc chiều nhau cho nờn qua chuyển tiếp PN đú khụng cú dũng chảy ra cực ngoài.
Khi tiến hành phõn cực cho chuyển tiếp PN, trạng thỏi cõn bằng bị phỏ vỡ. Nếu là phõn cực thuận thỡ dũng Ie –v là chủ yếu, khi đú cú hiệu ứng Tunnel theo chiều thuận. Nếu phõn cực ngƣợc, dũng Iv-e sẽ là chủ yếu, khi đú cú hiệu ứng Tunnel theo chiều ngƣợc. Chỳ ý là khi đú qua chuyển tiếp PN vẫn tồn tại dũng cuốn cỏc hạt thiểu số khi phõn cực ngƣợc và dũng khuếch tỏn cỏc hạt đa số khi phõn cực thuận. Cỏc dũng này cú cƣờng độ nhỏ hơn nhiều so với dũng tunnel.
b. Nguyờn lý làm việc và đặc tuyến Volt – Ampe của điụt Tunnel - Khi phõn cực ngƣợc:
+ Khi phõn cực ngƣợc xảy ra hiệu ứng Tunnel theo chiều ngƣợc, dũng ngƣợc của điụt tunnel tăng đột ngột. Trong dũng ngƣợc của điụt Tunnel, thành phần dũng điện Ive đúng vai trũ chủ yếu. Càng tăng điện ỏp phõn cực ngƣợc, dũng tunnel theo chiều ngƣợc càng tăng. Dũng Ie-v và dũng ngƣợc tuy vẫn tồn tại nhƣng nhỏ hơn Ive rất nhiều nờn cú thể bỏ qua. So với điụt chỉnh lƣu, đặc tuyến ngƣợc của điụt tunnel tăng lờn đột ngột khi điện ỏp ngƣợc tăng, khụng hề cú đoạn bóo hoà.
Hỡnh 3.13. Đặc tuyến ngược của điụt Tunnel và điụt chỉnh lưu
Hỡnh 3.14. Đặc tuyến thuận của điụt Tunnel
+ Khi ch- a có điện áp phân cực thuận đặt vào, điốt ở trạng thái cân bằng, dòng thuận Ith = 0.
+ Khi tăng điện áp thuận, chiều cao rào thế giảm qU (U là điện áp thuận đặt vào) làm tăng thành phần khuyếch tán điện tử từ N sang P. Khi phân cực thuận còn nhỏ, các hạt dẫn đa số (điện tử bên N và lỗ trống bên P) di chuyển không những bằng khuyếch tán mà bằng ph- ơng thức xuyên hầm (do cấu tạo đặc biệt của vùng năng l- ợng của điốt Tunnel), hơn nữa chủ yếu bằng ph- ơng thức xuyên hầm. Điện áp thuận càng tăng thì dòng thuận càng tăng. Giai đoạn này ứng với đoạn (1) trên đặc tuyến. Nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, dòng thuận tăng đến điểm (2) là thời điểm mà đáy vùng dẫn bên N ngang với mức Fecmi bên P và đỉnh vùng hoá trị bên P ngang với mức Fecmi bên N.
+ Sau điểm (2) trên đặc tuyến, nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, dòng thuận giảm. Bởi vì trong quá trình đáy vùng dẫn bán dẫn N đối diện với số mức bỏ trống bên bán dẫn P sau khi đạt tới giá trị cực đại bắt đầu giảm xuống. Một số điện tử bên phía N có mức năng l- ợng cao nh- ng đối diện với nó là vùng cấm cho nên điện tử không thể chuyển qua đ- ợc. Đây là đặc tuyến quan trọng nhất của điốt Tunnel vì nó xuất hiện điện trở âm (dòng điện giảm khi điện áp tăng). Đoạn đặc tuyến này biểu diễn bằng đoạn (3) trên đặc tuyến. Sự giảm dòng thuận tiếp diễn cho đến khi đáy vùng dẫn phía N ngang với đỉnh hoá trị bên P, ứng với điểm (4) trên đặc tuyến.
+ Từ điểm (4) nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, đáy vùng dẫn bên N vẫn tiếp tục tăng cao, khoảng cách giữa đáy vùng dẫn bên N và đỉnh vùng hoá trị bên P lại là vùng cấm. Lúc này điốt Tunnel lại hoạt động nh- một điốt chỉnh l- u thông th- ờng. Quan hệ giữa điện áp thuận và dòng thuận lúc này là quan hệ hàm mũ. Giai đoạn này ứng với đoạn (5) của đặc tuyến.
c. Ký hiệu mạch của điôt tunnel và ứng dụng - Ký hiệu:
- ứng dụng: Điốt Tunnel do có đặc tuyến điện trở âm nên có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực siêu cao tần.
3.4.3.2. Điốt ngược
Về mặt cấu tạo, cú thể coi điụt ngƣợc là sự quỏ độ từ điốt chỉnh lƣu sang điụt Tunnel. Đối với điụt chỉnh lƣu, nồng dộ đụnụ trong bỏn dẫn N và acxepto trong bỏn dẫn P nằm trong khoảng giới hạn nhất định và mức Fecmi của loại điốt này nằm ở khoảng gần giữa vựng cấm. Nếu tăng nồng độ hạt dẫn trong bỏn dẫn cũng nhƣ bỏn dẫn N lờn tới mức làm cho bỏn dẫn trở thành bỏn dẫn suy biến, mức Fecmi lỳc này đó dịch chuyển đến sỏt đỏy vựng dẫn bờn bỏn dẫn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn bỏn dẫn P (cỏh chỳng một khoảng nhỏ hơn 2kT). Khi đú ta cú điụt ngƣợc hay điụt suy biến. Nếu tiếp tục tăng nồng độ tạp chất ở cả hai phớa bỏn dẫn P và N thỡ mức Fecmi sẽ nằm sõu vào đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P. Khi đú cú điụt Tunnel.
- Khi phõn cực ngƣợc:
Do mức Fecmi nằm sỏt đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P nờn chỉ cần một điện ỏp phõn cực ngƣợc nhỏ đó xuất hiện hiệu ứng xuyờn hầm theo chiều ngƣợc. Do hiệu ứng xuyờn hầm này mà dũng ngƣợc tăng rất nhanh, khụng hề cú đoạn bóo hoà nhƣ điụt chỉnh lƣu thụng thƣờng.
- Khi phõn cực thuận:
Khỏc với điụt Tunnel, hiệu ứng Tunnel theo chiều thuận lại khụng xảy ra. Dũng qua chuyển tiếp PN khi phõn cực thuận là dũng khuyếch tỏn cỏc hạt đa số nhƣ trong cỏc điụt chỉnh lƣu thụng thƣờng, do đú quan hệ giữa dũng thuận và điện ỏp thuận là quan hệ hàm mũ. Nhƣng trong trƣờng hợp này do điụt ngƣợc pha tạp nhiều nờn trong khoảng điện ỏp thuận cũn nhỏ, sự tăng dũng điện thuận chậm hơn nhiều do với sự tăng điện ỏp. Do chuyển tiếp PN đựoc pha tạp với nồng độ lớn, hiệu điện thế tiếp xỳc của chuyển tiếp PN cũng lớn, do đú điểm uốn của đặc tuyến thuận cũng xảy ra muộn so với trƣờng hợp bỡnh thƣờng.
Một cỏch tổng quỏt, đặc tuyến thuận của điụt ngƣợc cú dạng nhƣ đặc tuyến ngƣợc của điụt chỉnh lƣu, đặc tuyến ngƣợc thuận của điụt ngƣợc cú dạng nhƣ đặc tuyến thuận của điụt chỉnh lƣu.
- Ký hiệu:
- Ứng dụng: Dựng để tỏch súng ở tần số siờu cao
3.4.3.3 Điốt biến dung
- Nguyờn lý hoạt động
Khi phõn cực chuyển tiếp PN ở một giỏ trị điện ỏp nhất định, miền điện tớch khụng gian rộng ra. Toàn bộ miền điện tớch khụng gian này cú thể xem nhƣ một vật liệu điện mụi (vỡ điện trở suất của nú rất lớn), trong khi đú miền bỏn dẫn P và N so với miền điện tớch khụng gian thỡ điện trở suất lại rất nhỏ, cú thể tƣơng đƣơng nhƣ một vật liệu dẫn điện. Cấu trỳc của chuyển tiếp P-N lỳc này cú thể xem nhƣ là một một tụ điện phẳng: điện mụi là miền điện tớch khụng gian, hạt phiến của tụ điện là hai miền bỏn dẫn P và N. Nhƣ vậy cú thể ỏp dụng phƣơng phỏp tớnh điện dung của tụ điện phẳng để tớnh để tớnh điện dung của điốt. Giỏ trị điện dung của tụ điện phẳng tỷ lệ thuận với diện tớch của phiến điện cực và tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp điện mụi (khoảng cỏch giữa hai phiến điện cực). Do đú điện dung của điụt sẽ tỷ lệ thuận với diện tớch thiết diện PN và tỷ lệ nghịch với độ rộng miền điện tớch khụng gian.
Hỡnh 3.16.Nguyờn lý cấu trỳc của điụt biến dung
gọi là Điốt cú điện dung thay đổi khi điện ỏp đặt ở hai đầu vào của điốt thay đổi -> điốt biến dung.
- Ký hiệu:
- Đặc điểm của điốt biến dung là điện dung của điốt biến đổi gần nhƣ đồng thời với sự thay đổi của điện ỏp ngƣợc đặt vào điốt.
thay đổi, do đú tần số của mạch cũng thay đổi. Thực tế cỏc điốt biến dung đƣợc dựng phổ biến trong cỏc mạch tự động điều chỉnh tần số hoặc cỏc mạch điều tần. Trong cỏc mạch khuyếch đại tham số và nhõn tần, dựng điốt biến dung hệ số phẩm chất của mạch sẽ rất cao.
CHƢƠNG 4. TRANSISTOR BÁN DẪN
4.1. Tranzitor lưỡng cực
4.1.1. Cấu tạo, nguyờn lý làm việc và cỏc thụng số cơ bản của tranzito lƣỡng cực
a. Cấu tạo