22 tới 1 trạng thái cân bằng động: I kt = I tr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n. Hiệu thế tiếp xúc có giá trị xác lập, được xác định bởi         =         = p n n p tx n n ln q KT p p ln q KT U (2-11) Với những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng, U tx có giá trị khoảng 0,3V với tiếp xúc p-n làm từ Ge và 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ hạt dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K). b – Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài. Có hai trường hợp xảy ra (h. 2.5a và b). Khi điện trườngnguài (E ng ) ngược chiều với E tx (tức là có cực tính dương đặt vào p, âm đặt vào n) khi đó E ng chủ yếu đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với E tx nên cường độ trường tổng cộng tại vùng lo giảm đi do đó làm tăng chuyển động khuếch tán I kt ↑ người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n khi nó được mở. Dòng điện trôi do E xt gây ra gần như giảm không đáng kể do nồng độ hạt thiểu số nhỏ. Trường hợp này ứng với hình 2.5a gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p- n. Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi so với lo. Khi E ng cùng chiều với E tx (nguồn ngoài có cực dương đặt vào n và âm dặt vào p, tác dụng xếp chồng điện trường tại vùng nghèo, dòng I kt giảm tới không, dòng I tr có tăng chút ít và nhanh đến một giá trị bão hòa gọi là dòng điện ngược bão hòa của tiếp xúc p-n. Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân bằng. Người ta gọi đó là sự phân cực ngược cho tiến xúc p- n. Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt trong 1 điện trường ngoài có tính chất van: dẫn điện không đối xứng theo 2 chiều. Người ta gọi đó là hiệu ứng chỉnh lưu của tiếp xúc p-n: theo chiều phân cực thuận (U AK > 0), dòng có giá trị lớn tạo bởi dòng hạt đa số phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngược (U sk < 0) dòng có giá trị nhỏ hơn vài cấp do hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p-n khối. Đây là kết quả trực tiếp của hiệu ứng điều biến điện trở của lớp nghèo của mặt ghép p-n dưới tác động của trường ngoài. p n ⊕ − p n ⊕ − I kt E t E ng p n ⊕ − I kt E t E ng Hình 2.5: Mặt ghép p-n khi có điện áp phân cực 23 c – Đặc tuyến Von –Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán dẫn Điốt bán dẫn có cấu tạo là một chuyển tiếp p-n với hai điện cực nối ra phía miền p là anốt, phía miền n là katốt. Nối tiếp điốt bán dẫn với 1 nguồn điện áp ngoài qua 1 điện trở hạn chế dòng, biến đổi cường độ và chiều của điện áp ngoài, người ta thu được đặc tuyến Von-Ampe của đốt có dạng hình 2.6. Đay là 1 đường cong có dạng phức tạp, chia làm 3 vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược và vùng (3) được gọi là vùng đánh thủng tiếp xúc p-n. Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe giữa lí thuyết và thực tế người ta rút được các kết luận chủ yếu sau: Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng:       −         = 1 m.U U exp (T)II T AK SA (2-12) trong đó         += p np n pon S L pD L .nD q.s.I gọi là dòng điện ngược bão hòa có giá trị gần như không phụ thuộc vào U AK , chỉ phụ I mA U AK (V) µ A 3 2 Ge Si 1 Hình 2.6: Đặc tuyến Von – Ampe của điôt bán dẫn 24 thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài và hệ số khuếch tán tức là vào bản chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại n và p và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. U T = KT/q gọi là thế nhiệt; ở T= 300 0 K với q = 1,6.10 – 19 C, k = 1,38.10 -23 J/K U T có giá xấp xỉ 25,5mV; m = (1 ÷ 2) là hệ số hiệu chỉnh giữa lí thuyết và thực tế - Tại vùng mở (phân cực thuận): U T và I s có phụ thuộc vào nhiệt độ nên dạng đường cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt được xác định bởi đạo hàm riêng U AK theo nhiệt độ. K mV 2 T U constI AK A −≈ ∂ ∂ = ngh ĩ a là khi gi ữ cho đ òng đ i ệ n thu ậ n qua van không đổ i, đ i ệ n áp thu ậ n gi ả m t ỉ l ệ theo nhi ệ t độ v ớ i t ố c độ -2mV/K. - T ạ i vùng khóa (phân c ự c ng ượ c) giá tr ị dòng bão hòa I s nh ỏ (10 - 12 A/cm 2 v ớ i Si và 10 -6 A/cm 2 v ớ i Ge và ph ụ thu ộ c m ạ nh vào nhi ệ t độ v ớ i m ứ c độ +10% giá tr ị / 0 k: ∆ I s ( ∆ T = 10 0 K) = I s t ứ c là đ òng đ i ệ n ng ượ c t ă ng g ấ p đ ôi khi gia s ố nhi ệ t độ t ă ng 10 O C - Các k ế t lu ậ n v ừ a nêu đố i v ớ i I s và U AK ch ỉ rõ ho ạ t độ ng c ủ a đ iôt bán d ẫ n ph ụ thu ộ c m ạ nh vào nhi ệ t độ và trong th ự c t ế các m ạ ch đ i ệ n t ử có s ử d ụ ng t ớ i đ i ố t bán d ẫ n ho ặ c tranzito sau này, ng ườ i ta c ầ n có nhi ề u bi ệ n pháp nghiêm ng ặ t để duy trì s ự ổ n đị nh c ủ a chúng khi làm vi ệ c, ch ố ng (bù) l ạ i các nguyên nhân k ể trên do nhi ệ t độ gây ra. - T ạ i vùng đ ánh th ủ ng (khi U AK < 0 và có tr ị s ố đủ l ớ n) dòng đ i ệ n ng ượ c t ă ng độ t ng ộ t trong khi đ i ệ n áp gi ữ a an ố t và kat ố t không t ă ng. Tính ch ấ t van c ủ a đ i ố t khi đ ó b ị phá ho ạ i. T ồ n t ạ i hai đ ang đ ánh th ủ ng chính: • Đ ánh th ủ ng vì nhi ệ t do ti ế p xúc p-n b ị nung nóng c ụ c b ộ , vì va ch ạ m c ủ a h ạ t thi ể u s ố đượ c gia t ố c trong tr ườ ng m ạ nh. Đ i ề u này d ẫ n t ớ i quá trình sinh h ạ t ồ ạ t (ion hóa nguyên t ử ch ấ t bán d ẫ n thu ầ n, có tính ch ấ t thác l ũ ) làm nhi ệ t độ n ơ i ti ế p xúc ti ế p t ụ c t ă ng. Dòng đ i ệ n ng ượ c t ă ng độ t bi ế n và m ặ t ghép p-n b ị phá h ỏ ng. • Đ ánh th ủ ng vì đ i ệ n do hai hi ệ u ứ ng: ion hóa do va ch ạ m gi ữ a h ạ t thi ể u s ố đượ c gia t ố c trong tr ườ ng m ạ nh c ỡ 10 5 V/cm v ớ i nguyên t ử c ủ a ch ấ t bán d ẫ n thu ầ n th ườ ng x ả y ra ở các m ặ t ghép p-n r ộ ng (hi ệ u ứ ng Zener) và hi ệ u ứ ng xuyên h ầ m (Tuner) x ả y ra ở các ti ế p xúc p-n h ẹ p do pha t ạ p ch ấ t v ớ i n ồ ng độ cao liên quan t ớ i hi ệ n t ượ ng nh ả y m ứ c tr ự c ti ế p c ủ a đ i ệ n t ử hóa tr ị bên bán d ẫ n p xuyên qua rào th ế ti ế p xúc sang vùng d ẫ n bên bán d ẫ n n. Khi phân tích ho ạ t độ ng c ủ a đ i ố t trong các m ạ ch đ i ệ n c ụ th ể , ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng các đạ i l ượ ng (tham s ố ) đặ c tr ư ng cho nó. Có hai nhóm tham s ố chính v ớ i m ộ t đ i ố t bán d ẫ n là nhóm các tham s ố gi ớ i h ạ n đặ c tr ư ng cho ch ế độ làm vi ệ c gi ớ i h ạ n c ủ a đ i ố t và nhóm các tham s ố đị nh m ứ c đặ c tr ư ng cho ch ế độ làm vi ệ c thông th ườ ng. - Các tham số giới hạn là: • Đ i ệ n áp ng ượ c c ự c đạ i để đ i ố t còn th ể hi ệ n tính ch ấ t van (ch ư a b ị đ ánh th ủ ng): U ngcmax (th ườ ng giá tr ị U ngcmax ch ọ n kho ả ng 80% giá tr ị đ i ệ n áp đ ánh th ủ ng U đt ) • Dòng cho phép c ự c đạ i qua van lúc m ở : I Acf . 25 • Công su ấ t tiêu hao c ự c đạ i cho phép trên van để ch ư a b ị h ỏ ng vì nhi ệ t: P Acf . • T ầ n s ố gi ớ i h ạ n c ủ a đ i ệ n áp (dòng đ i ệ n) đặ t lên van để nó còn tính ch ấ t van: f max . - Các tham số định mức chủ yếu là: • Đ i ệ n tr ở 1 chi ề u c ủ a đ i ố t:         +== 1 I I ln I U I U R S A A T A AK d (2-13) • Đ i ệ n tr ở vi phân (xoay chi ề u) c ủ a đ i ố t: SA T A AK đ II U I U r + = ∂ ∂ = (2-14) V ớ i nhánh thu ậ n dth A T r I U ≈ do I A l ớ n nên giá tr ị r d nh ỏ và gi ả m nhanh theo m ứ c t ă ng c ủ a I A ; v ớ i nhánh ng ượ c dngc S T r I U ≈ l ớ n và ít ph ụ thu ộ c vào dòng giá tr ị r đth và r đngc càng chênh l ệ ch nhi ề u thì tính ch ấ t van càng th ể hi ệ n rõ. • Đ i ệ n dung ti ế p giáp p-n: l ớ p đ i ệ n tích kh ố i l 0 t ươ ng đươ ng nh ư 1 t ụ đ i ệ n g ọ i là đ i ệ n dung c ủ a m ặ t ghép p-n: C pn = C kt + C rào . Trong đ ó C rào là thành ph ầ n đ i ệ n dung ch ỉ ph ụ thu ộ c vào đ i ệ n áp ng ượ c (vài ph ầ n ch ụ c pF) và C kt là thành ph ầ n ch ỉ ph ụ thu ộ c vào đ i ệ n áp thu ậ n (vài pF). Hình 2.6a: Kí hiệu và dạng đóng gói thực tế của điốt 26 Ở nh ữ ng t ầ n s ố làm vi ệ c cao, ng ườ i ta ph ả i để ý t ớ i ả nh h ưở ng c ủ a C pn t ớ i các tính ch ấ t c ủ a m ạ ch đ i ệ n. Đặ c bi ệ t khi s ử d ụ ng đ i ố t ở ch ế độ khóa đ i ệ n t ử đ óng m ở v ớ i nh ị p cao, đ i ố t c ầ n m ộ t th ờ i gian quá độ để h ồ i ph ụ c l ạ i tính ch ấ t van lúc chuy ể n t ừ m ở sang khóa. Đ i ệ n áp m ở van U D là giá tr ị đ i ệ n áp thu ậ n đặ t lên van t ươ ng ứ ng để dòng thu ậ n đạ t đượ c giá tr ị 0,1I max . Ng ườ i ta phân lo ạ i các đ i ố t bán d ẫ n theo nhi ề u quan đ i ể m khác nhau: • Theo đặ c đ i ể m c ấ u t ạ o có lo ạ i đ i ố t ti ế p đ i ể m, đ i ố t ti ế p m ặ t, lo ạ i v ậ t li ệ u s ử d ụ ng: Ge hay Si. • Theo t ầ n s ố gi ớ i h ạ n f max có lo ạ i đ i ố t t ầ n s ố cao, đ i ố t t ầ n s ố th ấ p. • Theo công su ấ t p Acf có lo ạ i đ i ố t công su ấ t l ớ n, công su ấ t trung bình ho ặ c công su ấ t nh ỏ (I Acf < 300mA) • Theo nguyên lý ho ạ t độ ng hay ph ạ m vi ứ ng d ụ ng có các lo ạ i đ iôt ch ỉ nh l ư u, đ iôt ổ n đị nh đ i ệ n áp ( đ iôt Zener), đ iôt bi ế n dung (Varicap), đ iôt s ử d ụ ng hi ệ u ứ ng xuyên h ầ m ( đ iôt Tunen)…. Chi ti ế t h ơ n, có th ể xem thêm trong các tài li ệ u chuyên ngành v ề d ụ ng c ụ bán d ẫ n đ i ệ n. Hình2.6b: Điôt phát quang ( light – emitting diode: LED) Khi xét đ iôt trong m ạ ch th ự c t ế , ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng s ơ đồ t ươ ng đươ ng c ủ a đ i ố t t ươ ng ứ ng v ớ i 2 tr ườ ng h ợ p m ở và khóa c ủ a nó (xem h.2.7) 27 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của điốt bán dẫn lúc mở (a) và lúc khóa (b) T ừ đ ó ta có: đth thth th r EU I − = đngc ngc Sngc r U II += V ớ i r đth ≈ r B đ i ệ n tr ở ph ầ n đế baz ơ c ủ a đ iôt hay độ d ố c trung bình c ủ a vùng (1) đặ c tuy ế n Von-Ampe. Và r đngc là độ d ố c trung bình c ủ a nhánh ng ượ c (2) c ủ a đặ c tuy ế n Von-Ampe. 28 2.1.3. Vài ứng dụng điển hình của điôt bán dẫn . l ệ theo nhi ệ t độ v ớ i t ố c độ -2 mV/K. - T ạ i vùng khóa (phân c ự c ng ượ c) giá tr ị dòng bão hòa I s nh ỏ (10 - 12 A/cm 2 v ớ i Si và 10 -6 A/cm 2 v ớ i Ge và ph ụ thu ộ c. ngược bão hòa của tiếp xúc p-n. Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân bằng. Người ta gọi đó là sự phân cực ngược cho tiến xúc p- n. Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt trong 1 điện trường. khoảng 0,3V với tiếp xúc p-n làm từ Ge và 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ hạt dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2 mV/K). b – Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài