Tác dụng chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn p-n

b. Bán dẫn có tạp chất

1.1.2.Tác dụng chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn p-n

Giả sử ta có hai loại: bán dẫn Ge loại n và bán dẫn Ge loại p có cùng nồng độ tạp chất. Ta ghép chúng tiếp xúc với nhau. Tại mặt tiếp xúc, do chuyển động nhiệt các phần tử tải điện chủ yếu trong hai bán dẫn khác loại sẽ khuếch tán sang nhau: electron từ bán dẫn loại n sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p, ngược lại “lỗ trống” từ bán dẫn loại p khuếch tán sang bán dẫn loại n. Kết quả là ở chỗ tiếp xúc giữa hai mặt của hai chất bán dẫn khác loại sẽ có điện tích trái dấu: mặt bên phía bán dẫn loại n mang điện dương (+) còn mặt bên phía bán dẫn loại p thì mang điện âm (-). Hai mặt mang điện này tạo thành một lớp điện tích kép, do đó giữa chúng xuất hiện một điện trường. Lớp tiếp xúc như vậy được gọi là lớp tiếp xúc p-n (xem hình vẽ 5.4). Điện trường xuất hiện trong lớp điện tích kép này có tác dụng làm giảm sự khuếch tán của các phần tử tải điện chủ yếu. Ta gọi cường độ điện trường đó là Eo

.

Khi hai bán dẫn tiếp xúc nhau, đồng thời với sự khuếch tán của các phần tử tải điện chủ yếu còn có sự khuếch tán của các phần tử tải điện không chủ yếu: các “lỗ trống” từ bán dẫn n sang bán dẫn p, và ngược lại, các electron từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Tuy nhiên, lý thuyết chứng tỏ

Ge Ge Ge Ge Ge In Ge Ge Ge Hình 5.3: Bán dẫn Ge pha tạp In

rằng sự khuếch tán của các phần tử tải điện không chủ yếu này không phụ thuộc điện trường Eo

trong lớp điện tích kép.

Sự khuếch tán của các phần tử tải điện chủ yếu ban đầu lớn hơn sự khuếch tán của các phần tử không chủ yếu, nhưng do điện trường

o E

ngăn cản nên dòng khuếch tán của các phần tử chủ yếu giảm dần cho tới khi cân bằng với sự khuếch tán các phần tử tải điện không chủ yếu. Lúc đó trạng thái cân bằng động được thiết lập, lớp điện kép sẽ có hiệu điện thế Vo đạt tới giá trị ổn định vào khoảng vài phần mười volt và có độ dày vào cỡ 10-7

–10-6 mét.

Bây giờ, nếu ta nối bán dẫn p với cực dương của nguồn điện và bán dẫn n với cực âm của nguồn thì giữa hai bán dẫn sẽ có một điện trường

E

ngược chiều với điện truờng Eo

của lớp điện tích kép. Vì E

>Eo

nên điện trường tổng (E

+Eo

) có chiều trùng với điện trườngE

, do đó nó có tác dụng làm cho sự khuếch tán của các phần tử tải điện chủ yếu qua lớp điện tích kép tăng lên rất nhiều so với sự khuếch tán của các phần tử không chủ yếu. Trong trường hợp này, lớp điện tích kép đã cho dòng điện có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Dòng điện này được gọi là dòng điện thuận (xem hình 5.5).

 Eo p - + n  E  Eo p - + n  E

Hình 5.5: Phân cực thuận và nghịch cho diode

Bán dẫn loại p Bán dẫn loại n + + + + -

Dòng electron không chủ yếu

Dòng lỗ trống không chủ yếu Dòng lỗ trống chủ yếu Dòng electron chủ yếu Hình 5.4: Lớp tiếp xúc p-n - - - - +

Ngược lại, nếu ta nối bán dẫn p với cực âm và bán dẫn n với cực dương của nguồn điện thì điện trường giữa hai bán dẫn do nguồn gây nên sẽ có chiều trùng với điện trường trong lớp điện tích kép. Điện trường tổng (E

+Eo

) sẽ có chiều trùng với Eo

và có tác dụng làm cho các phần tử tải điện không chủ yếu khuếch tán mạnh qua lớp tiếp xúc nhiều lên và ngăn hoàn toàn sự khuếch tán của các phần tử tải điện chủ yếu qua lớp tiếp xúc.Tuy có dòng các phần tử tải điện không chủ yếu nhưng vì mật độ của chúng rất nhỏ, nên dòng điện này có cường độ rất nhỏ.Dòng điện này được gọi là dòng điện nghịch. Trong trường hợp này, lớp điện tích kép được gọi là lớp ngăn.

Như vậy. Ta thấy khi đặt một hiệu điện thế xoay chiều vào hai đầu bán dẫn p-n chỉ có dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận (từ p sang n) và hầu như không có dòng chạy theo chiều nghịch (từ n sang p). Nói cách khác, bán dẫn p-n có thể biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Đó là tác dụng chỉnh lưu của bán dẫn p-n. Bán dẫn p-n được gọi là cái chỉnh lưu hay là diode bán dẫn. Người ta thường ký hiệu diode như sau:

Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng, cường độ dòng điện toàn phần I chạy qua diode bán dẫn p-n thay đổi phụ thuộc vào hiệu điện thế U đặt vào giữa hai đầu của diot đó theo quy luật:

e U k T o I I e 1           = −     (5.1) trong đó: k là hằng số Bolztman k = 1,38.10 –23 J/K = 8,625.10 –5 eV/K T là nhiệt độ tuyệt đối của lớp tiếp xúc p-n (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

e (ở số mũ) = 1,6.10 –19C, là điện tích của điện tử

Io là cường độ bão hòa của dòng điện ngược It. Giá trị Io rất nhỏ, phụ thuộc cấu tạo của diode và nhiệt độ (ở nhiệt độ phòng, mật độ dòng

Hình 5.6: Ký hiệu của diode

Hình 5.7: Đặc tuyến

của diode bán dẫn

n p

Io chỉ vào khoảng 10-12

A/cm2 đối với diode Si và 10-6

A/cm2 đối với diode Ge).

Đường biểu diễn của hàm số (5.1) có dạng như trên hình 5.7 và được gọi là đặc tuyến (đường đặc trưng volt-ampere) của các diode bán dẫn (nếu hiệu thế ngược U không có trị số âm quá lớn).

Nếu hiệu thế ngược U có trị số âm khá lớn và vượt giá trị Uz(phụ thuộc bản chất lớp tiếp xúc p-n) thì cường độ dòng điện nghịch tăng lên rất nhanh trong khi hiệu thế ngược hầu như không đổi ở giá trị Uz. Hiện tượng này gọi là hiện tượng thác đổ.

Trong các diode bán dẫn dùng để chỉnh lưu, lớp tiếp xúc p-n thường không được chế tạo đặc biệt để có thể chịu đựng được hiện tượng thác đổ. Do đó, khi hiệu thế ngược U vượt quá giá trị Uzthì diode sẽ bị hỏng do dòng điện nghịch quá lớn, nhiệt độ lớp tiếp xúc tăng nhanh làm cháy diode.