Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

3. Dòng điện trong chân không

5.3. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào các tạp chất có mặt trong chất bán dẫn. Tạp chất được pha vào làm tăng số hạt tải điện. Tuỳ thuộc vào tạp chất mà hạt tải điện tăng thêm đó là electron hay lỗ trống.

Như vậy, việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết không những làm tăng mạnh số lượng các hạt tải điện, mà còn làm thay đổi số lượng tương đối của hai loại hạt t ải:

electron và lỗ trống, và do đó làm thay đổi loại bán dẫn, chuyển từ bán dẫn loại i sang bán dẫn loại p hoặc n.

Theo lí thuyết vùng năng lượng về chất rắn, nếu ta pha Phôtpho (P) vào bán dẫn Si, thì tạp chất P tạo thành một mức năng lượng trong vùng cấm, rất gần đáy của vùng dẫn gọi là mức tạp chất. Khoảng cách từmức tạp chất đến đáy vùng dẫn chính là năng lượng cần thiết để electron ở nguyên tử tạp chất bứt ra khỏi nguyên tử và trở thành electron dẫn, tức là electron chuyển từ mức tạp chất lên vùng dẫn. Khi đó, nguyên tử tạp chất trở thành ion dương, ta nói rằng tạp chất đã bị ion hoá.

Tạp chất, như loại ta đang xét, làm nhiệm vụ cung cấp electron cho vùng dẫn nên được Mức tạp

chất cho

P pha văo Si tao thănh mức tạp chất trong vng cấm nhưng rất gần vng dẫn.

Mức tạp chất nhận

Al pha vào Si tạo thành mức tạp chất đôno nằm trong vùng cấm, nhưng rất gần đỉnh vùng hoá trị.

83

gọi là tạp chất cho hay tạp chất đôno (donor). Như vậy tạp chất đôno làm phát sinh el ectron dẫn mà không tạo ra lỗ trống. Do đó, trong bán dẫn, số electron lớn hơn số lỗ trống rất nhiều, bán dẫn đó gọi là bán dẫn loại n(negative).

Khi pha Al vào Si, thì tạp chất này tạo thành mức tạp chất nằm trong vùng cấm, nhưng rất gần đỉnh vùng hoá trị. Electron hoá trị chỉ cần có năng lượng bằng khoảng cách từ đỉnh vùng hoá trị đến mức tạp chất là có thể chuyển lên mức tạp chất và do đó tạo thanh lỗ trống trong dải hoá trị. Khi đó nguyên tử tạp chất bị ion hoá. Tạp chất loại ta đang xét có nhiệm vụ tiếp nhận electron từ vùng hoá trị để tạo thành lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận hay là tạp chất axepto (acceptor). Tạp chất axepto tạo ra lỗ trống mà không tạo ra electron. Do đó trong bán dẫn, số lỗ trống nhiều hơn số electron rất nhiều, bán dẫn đó gọi là bán dẫn loại p (positive).

Nếu pha cả hai loại tạp chất thì bán dẫn tinh khiết (i) có thể trở thành bán dẫn loại n hay hay bán dẫn loại p là tùy vào tỉ lệ giữa 2 loại tạp chất.

Tóm lại, bằng vào việc chọn tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn.

5.3.1. Lớp chuyển tiếp p - n

Lớp chuyển tiếp p - n là cơ sở cho rất nhiều ứng dụng của bán dẫn. Giả sử có một thanh bán dẫn, mà bằng cách pha tạp chất thích hợp vào ta có được phần bên trái là bán dẫn p, còn phần bên phải là bán dẫn n. Giữa hai bán dẫn này hình thành một mặt phân cách có tính chất đặc biệt, gọi là lớp tiếp xúc p -n

5.3.2. Tiếp giáp P-N cân bằng

Đây là trạng thái không có điện áp ngoài đặt vào tiếp giáp. Trước khi tiếp xúc, mỗi loại bán dẫn nằm trong trạng thái cân bằng. Giả sử nồng độ tạp chất cho, tạp chất nhận, nồng độ điện tử và lỗ trống phân bố đều trên toàn bộ chất bán dẫn.

Khi cho hai loại bán dẫn p và n tiếp xúc nhau (Hình19). Tại bề mặt của lớp tiếp xúc S, lỗ trống sẽ khuếch tán từ p sang n, ngược lại điện tử sẽ khuếch tán từ n sang p (do sự chênh lệch về nồng độ).

Trong đó:

pP là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại P.

nP là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại P.

nNlà nồng độ điện tử trong bán dẫn loại N. p

Nlà nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N.

Chuyển động trên gọi là chuyển động khuếch tán, một trong những chuyển động cơ bản của các hạt tải điện trong môi

Hình 18. Tiếp giáp p-n cân bằng

x S

P N

- - -

+ + +

d

nP

pP nN

pN

utx

E 

x

trường bán dẫn. Sự chuyển động khuếch tán này tạo ra dòng điện khuếch tán Ikt

kt

I qDdn

 dx (1.42)

với q : Điện tích của động tử (q = -e nếu là điện tử, q = +e nếu là lỗ trống) dn

dx: Biến thiên của nồng độ theo đơn vị độ dài (gradient nồng độ).

D: Hệ số khuếch tán.

Khi electron và lỗ trống khuếch tán qua mặt tiếp xúc như trên, chúng sẽ để lại những ion dương của tạp chất chovàion âm của tạp chất nhận, đồng thời làm tăng nồng độ điện tích tại những nơi chúng vừa tới. Những điện tích này sẽ tái hợp với động tử đa số của nơi đó (điện tử sẽ tái hợp với lỗ khi khuếch tán từ N sang P, ngược lại lỗ trống sẽ tái hợp với điện tử khi khuếch tán từ P sang N) sao cho thực hiện được sự cân bằng.

Kết quả trong bán dẫn loại N tại phạm vi gần mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện một miền chủ yếu gồm những ion dương

của tạp chất cho (miền thiếu điện tử) và ở bán dẫn loại P gồm những ion âm của tạp chất nhận (miền thiếu lỗ trống).

Hai miền điện tích này có trị số bằng nhau nhưng ngược dấu. Do thiếu các phần tử tải điện cơ bản, điện trở của hai miền lớn hơn điện trở của phần còn lại. Ta gọi là lớp chắn, trong phạm vi của lớp chắn, giữa hai miền điện tích khác dấu nhau sẽ có hiệu điện thế tiếp xúc U

tx, tương ứng là điện trường tiếp xúc E

txchiều từ N sang P. Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n. Ở lớp chuyển tiếp này hầu như không có hạt tải điện tự do.

Utxlàm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được gọi là hàng rào thế. Do có E

txcác phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của các phần tử tải điện đa số, chuyển động này tạo thành dòng điện rò hoặc còn gọi là dòng điện trôi I

tr, dòng điện ngược bão hòa.

Dòng này rất có hại, nó làm tăng nhiệt độ ở các tiếp giáp. Khi không có điện trường ngoài, dòng điện tổng cộng qua tiếp giáp p-n bằng không.

5.3.4. Tiếp giáp P-N không cân bằng

Khi ta đặt điện trường ngoài vào tiếp giáp p-n thì trạng thái cân bằng trên không còn nữa. Tiếp giáp p-n ở trạng thái không cân bằng, ta nói tiếp giáp p-n được phân cực. Có hai cách phân cực:

-Phân cực thuận :

Khi ta đặt điện áp dương của điện áp ngoài vào P và điện áp âm vào N ta có phân cực thuận (Hình 20a). Toàn bộ điện áp U

thsẽ đặt lên trên tiếp giáp, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc U

tx. Điện trường ngoài E

th ngược chiều với Etx. 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

Ith 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 E ng

cùng chiều với E tx

. Điện trường E

ngdo điện áp Unggây 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  E th

+ -

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 ng kT

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

e kT 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 

Eng

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 Et`

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.