Tải bản đầy đủ

Linh kiện bán dẫn và vi mạch


TS. HỒ V Ả N S Ư N G

UNH KIỆN
BÁN DẪN VÀ VI MẠCH


(T á i bản lần th ứ n ăm )

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC


Công ty

cổ phẩn sách Đại học • Dạy nghê - Nhà xuất bản Giáo dục giữ quyển công bố tác phẩm

Mọi tổ chức, cá nhàn muốn sử dụng tác phẩm dưới mọi hinh thức phải dược sự dóng Ỷ của chủ sở hữu quyển tác giả.
04 - 2 0 0 9 /C X B /l 49 - 2 1 1 7/G D

Mã sô ': 7B 577y9 - DAI



Lời giới thiệu
uốn sách "Linh kiện bán dản và vi mạclì" là nội dung chính CÌUỈ giáo trình đã dược giáng

C

dạy nhiểu năm ớ Khoa công nghệ Đại học quốc gia Hà Nội và cũng được lác gi;i SỪ dụng
làm bài giáng cho sinh viên các chuyên ngành điện tứ, tin học và viễn thông trong ihời

gian ỉàni clìuyổn gia ở Algerie. Hàng nàm, do sự phát triến mạnh của còng nghệ vi điện lử, giáo
írình cùng được bổ sung những linh kiện mới, độc biệt những linh kiện có tõc độ hoạt dộng sicii
cao, ớ dày điện tứ có độ linh động cực cao. Vì thế, bén cạiih những.linh kiện cơ ban, giáo trình
còn đé cập đến Iihrrng linh kiộn của thế ký 21 như các linh kiện hoạt động dựa Ircn hiệu ứng
iosephson hoặc những linh kiện hoại động nhờ chuyến tiếp dị linlì ihế (Heterojunclịon). Sáclì
được chia làm hai phần : Phần thứ nhất giành cho việc nghiên cứu các liĩilì kiện rời rạc. Pliíin ihứ
hai mò tã các đặc trưng cũng như còng nghệ ch ế tạo cùa tốt cà các loại vi mạch từ lưỡng cực lới
Bi-CMOS.
Phần một có 7 chương : Chưofiig 1 : mô tá các lính chất cơ bán của vật liệu bán dẩn.
Chương 2 : mỏ tà nguyên tác hoạt động cùa làì ca các loại diốt từ loại chỉnh lưu P-N đến các loại
điòì đặc biệt như điổt Gunn hoặc điốt PIN, lừ loại lần thấp đến loại có lần sô' cắt cực cao.
Clìirơng 3 : mỏ lá chuyến tiếp dị tinh thể và siêu mạng ; Đ ó là chuyển tiếp cơ bán đế ch ế lạo nên
nhiều linh kiện mới có tốc độ hoại động cực lớn như khí điện tử 2D. Chương 4 đề cập Uiinzito
luởng cực còn chương 5 là các linh kiện chính lưu có điểu khiển hay còn gọi là các liiih kiện
thuộc họ thyrisior. Chương 6 là các loại lranzito trường : Cá JFET lẫn MOS. Do tính cỊiian tiọng
của các loại tranzilo Irường, nên iroiìg chương này vừa mô tá định ỉínlì lẫn định lượng ; cio vậy,
độc già có dịp được so sánh các đăc trưng được tính toán bằng lý tlìuycì với các lài liệu llìực
nghiệm. Chương 7 : irìnlì bìi^ các loại linh kiện quang - điện tử : các linh kiện thu qiumg, phát
q u a n g , pin mặt trời, iaser đa m ỏ ì và đơn mốt c h o c á c cứa s ổ khác nÌKỉU g ắn với Cik sợi tịuang
cung như các hnli kiện ghép nói giừa chúng với nhau và với nguôn phát cùng như với Iiguỏii thu.

Phiỉn 2 có 4 chương : Chương s nói về ích lợi và lóc độ phát tricn cùa các công nghệ vi điện
lử irong đó có cá công Iighệ kinh điến lẫn các còng nghệ licn tiến nhất. Chương 9 là các loiỉi vi
mạch lường cực, còn chương 10 côiìg nghộ các loại vị mạch MOS và Bi-CMOS. Chương 1 1 niò tà
các tính châl cúa các vi mạch tuyến lính ở đây là các bộ khuếch đại thuật loán.
Trong mỗi chương, lác giả c ố gắng mô tâ hoụt dộng cúa các linh kiện, nôu bật Iiội dung
vật lý cúa từng linh k iệ n và vì v ậy người đ ọ c c ó thế hiểu n g u y ê n tác liOiil đ ộ n g củ;t từng linh kiệếi

một cách sâu sắc chứ khỏng mang lính thụ động. Mỗi linh kiện đều được mô ỉủ Iiguycii lac hoạt
động, cấu lạo, nhưng đổng thòi cũng cho biếl địa chỉ ứng dụng trong các mạch điện lử cụ (hê.
Trong sách cũng m ô tả rấl nhiểu công nghệ và có sự so sánh các công nghệ khác nhau dc thốy


được những im viẹt cỳa mỏi công nghệ. Trong sự so sánh này đểu được mô lã dưới dạiig clổ thị
đê’ nguời dọc dc câm nhủn.
Mặc dù cỏ rất nhiều c ố gắng, song do thời gian, nên chắc chắn sách còn có nliững sai sóỉ,
rất mong dược quý độc gia nhộn xét, đóng góp đc lần xuủì bàn sau được đáy clủ và phong phú
hơn.
TÁC GIẢ


Phần I

CÁC LOAI
■ LINH
—-- KIỆN
■ RỜI
Chương 1

MỘT
SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU
BÁN DẨN




1.1. NẢNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỮTRONG ĐƠN TINH THỂ-VÙNG

năng

LUỢNíỉ

Trạng thái đơn tinh thể được đậc trưng bàng sự phân bố đều đặn của các nguyên lử Iroiig
không gian theo một mạng íuần hoàn ba chiều. Giá sứ có một clìuỏi gồm N nguyên lứ gióng hệt
nhau, lúc đầu ĩìguyẽn tử nùy cách xa nguyên tứ kia. Khi đó, mỗi nguyên tử sẽ có các mức năiiị:
lượng được phép đều bị chiếm. Bủy giờ, nếu N nguyên tử đó được sắp xếp trong mạng liiih thê
thì chúng sẽ lương lác với nhau, làm cho các mức Iiãng lượng được phép ch o các điện ur bị biến
điệu : Mỏi mức nũng lượng của nguyên lử cô lạp sẽ phải tách thành N mức gián đoạn tic ihỏa
măn nguyên lý Pauli và mổi một điện tử trong linh thể có một mức nãng lượng riêng, gần ngay
mức ban đầu. Vì trong linh thẽ\ số nguyên tử rất lớn (cỡ 10“^ nguyên lử trôn một cm S do đó
trên Irục năng lượng, mồi mức nàng lượng được phép cũng lách thành lừng ấy mức ; chúng sáp
xếp rít gần nhau lạo llìùnh nhữiig vùng năng lượng được phép cách nhau bởi các vùng cốm.

các nút mạng
ĩliiih / . / . Cáu trúc vù/ĩiỉ iuhìịỊ liỉỢỉìiỊ ( ùa ỉinỉi ỉhè siỉit ỠOK.


Đòi với các điện tử ớ những lớp bcn trong, thì nhiễu loạn do các nguyên tử láng giềng
gây ra lâì yếu, nên chúng vẫn bị liẻn kết mạnh với hạt nhân của chúng, sự tách mức là rất yếu
và chi xáy ra trong một vùng rất hẹp. Ngược lại, các diện tử ở lớp ngoài cùng lương lác với rất
nlìiều nguyên lử hìn bang, nên sự tách mức năng lượng xây ra trên một vùng rộng, gủy ra hiện
tượng chồng phú các vùng năng lượiìg với nhau. Đối với silic, các lớp ngoài cùng được lạo
thành bới 2 điện tứ p và 2 điện tử s (có 6 vị trí ờ trong mức p và 2 trong mức s). Khi tinh thế
được tạo thành thì các vùng do các mức 3p và 3s tách ra, chồng phủ lẻn nhau : hai điện tứ 3s và
hai điện tử 3p tạo nên vùng đầy gọi là vùnịỊ hóa ĩrị được tính bởi bốn điện tử trên một nguyên
tử. Bón vị trí còn lại trên mức 3p được nhóm lại thành một vùng chưa bị chiếm gọi là v////ự íhhì.
Trong báiì dẫn gecm ani, vùng Is nằm thấp nhất có độ rộng khoáng IO"^eV. Vùng hóa trị
có độ rộiig cỡ lOeV. Vùi)g dản có độ rộíig 20eV cách đinh vùng hóa trị một khoáng 0 , 7 le V . Đ ó
c h í nh là độ rộng cúa V/Í//V i ổ n ì. Khoảng cách năng lượng giữa vùng Is và vùng hóa Irị vào

khoáng 1 I.OƠOcV.

1.2. XÁC SUẤT CHIẾM MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ
Giả sử các mức năng lượng khả dĩ giành cho điện tử nằm trong khoáng E đến E + dE là
N(E).dE, trong đó N (E) là mật độ năng lượng, ở trạng thái cân bằng nhiệt động (T giữ c ố
định), điện tử phâii bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm mức năng lượng E là :
1

f(E) =

E -E p

1 + e x p ----' KT

trong đó : K = 8 ,6 3 .1 0 ^eV/K là hàng số Bo!tzman ;
T là nhiệt độ tuyệt đối (ở nhiệt độ phòng T = 300K ;
K T = 2 6 .1 0 ''eV
Ep là mức năng lượng Fermi được xác định từ biểu thức :
n=

j2N (E )f{E )d (E )
0

trong đó : n là nồng độ điện tứ, tức là số điện tử trên một đơn vị thê’ tích. Tích phân líTíy theo tất
cá các mức năng lượng khá dĩ của điện tử. Gốc năng lượng được lấy từ đáy vùng dăn. Vì vậy
nâng lượng Fermi Ep là một hàm cùa nồng độ 11, cùa nhiệt độ T và ciia tất cả các ihôiig sô' có
thê có tác động lên các mức năng lượng,
ở nhiệt độ T = OK thì :
1 nếu E < Ep
0 nếu E > Ep
Điểu đó có nghĩa rằng tất cả các mức năng lượng ở phía dưới Ep đểu bị chiếm, trong khi
các mức nằm trên Ep thì lại trống hoàn toàn. Khi E = Ep thì f(E) = 1/2. Vậy mức năng lượng
Fermi là inức Iiãng lượng có xác suất bị chiếm bằng 50%.


f(E) thay đổi rất nhanh ở lân cận mức năng lượng
Fermi Ep. 90% sự thay đổi của f(E) xảy ra trên
một khoảng năng lượng ±3KT.
ở nhiệt độ T

OK sự phân bố của điện tử vẫn

tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Lúc này, một số
điện tử ở đình vùng hóa trị có năng lượng Ev có
thể vượt qua vùng cấm đi tới đáy vùng dẫn. Quá
trình này để lại trong vùng hóa trị những lỗ hổng
về vị trí (hình 1.3).

H ìn h 1 3 , M ật độ các m ức năng lượng trong vùng dần và vùng hóa trị.

ở nhiệt độ gẩn nhiệt độ phòng, nếu độ rộng vùng cấm Ec - Ey = Eg lớn hơn 2 hoăc 3eV
thì số điện tử trong vùng dẫn thực tế bằng không. Vật liệu đó là chất cách điện. Ngược lại, nếu
Eg vào khoảng le V thì vùng hóa trị và vùng dẫn sẽ bị chiếm một phần và làm xuất hiện độ dẫn
điện nào đó. Trưòmg hợp này là vật liệu bán dẫn chẳng hạn như Si hoặc Ge có độ rộng vùng
cắm tưcmg ứng là l,1 2 e V và 0 ,6 6eV ở nhiệt độ 0 K.
Đ iện trở suất của vật liệu bán dẫn sẽ giảm khi nhiệt độ tăng vì số điên tử được giải phóng
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tăng theo nhiệt độ.

1.3. ĐIỆN TỬ VÀ LỖ TRỐNG TRONG BÁN DẪN
Trong các chất bán dẫn, ở nhiệt độ T

ròng

OK, vùng dẫn và vùng hóa trị có thể bị chiếm một

phần, vì vậy chúng có thể tham gia quá trình dẫn điện.
Giả sử trong một đơn vị thể tích của vật đẫn chỉ có điện tử với vận tốc định hướng là
thì mật độ dòng sẽ là - q

,

(ký hiệu q là điện tích cùa proton có giá trị dưcmg), khi đó mật độ

dòng do tất cả các điện tử cùa vùng sẽ là - q ^

, tổng lấy theo tất cả các trạng thái bị chiếm

s

cùa vùng.
Đ ể tính dòng điện, phải xác định được vận tốc của điện tử. T h ế nhưng, mỗi điện tử trong
các vùng năng lượng lại c ó khối lượng hiệu dụng khác với khối lượng của điện tử được tự do
hoàn toàn, vì khối lượng hiệu dụng của điộn tử phụ thuộc vào năng lượng cùa nó, nên trong các
vùng năng lượng khác nhau chúng sẽ có khối lượng hiệu dụng khác nhau. Do vậy, đóng góp
của các điện tử ngay trong một vùng năng lượng thôi cũng rất phức tạp. Tuy nhiên, để đcm giản,
trong các vật liệu bán dẫn, chúng ta chỉ xét các điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị.


Trong vùng dẫn, số điện tử rất nhỏ so với mức nũng lượng được phép giành cho chúng, vì
vậy điện tử IkI u như chi chiếm các mức n ă n g ‘lượng thấp nhất ở đáy vùng dẫn có năng lượng
nên chúng có khối lượng hiệu đụng gần như nhau. Trên thực lế, người la có thể coi chúng có
cùng khối lượng hiệu dụng m„.
Cùng suy luẠn tương tự như vậy, các vị trí trống do các điện tử vừa rời khỏi vùng hóa trị
lụi râì ít so với toàn bộ số mức cỉia vìmg đó và nằm rất gán đinh vùng hóa trị Ey. Nếu ihiếư một
điện tử ớ vùng hóa trị, thì mật độ dòng do tất cả các điện lử khác cúa vùng này sẽ là

,
s;* i

ở đáy ký hiệu i là điện tử bị thiếu. Bây giờ giá sử thêm vào điên lử vắng mặt ( - q V /) và một liọỉ
ĩirỡn^ ỉnợỉtì^ có điện tích +q và chuyển động với vận tốc Vị ihì về mặt công thức toán học,
chúiig ta có ihê viết :

s*ị
Nhưng

= 0 vì đóng góp của toàn bộ vùng bị chiếm bằng không. Kết quá trên cho
s

thđy ràng độ dần điện trong vùng hóa trị như là do một hạt tưởỉỉỊi tượn^ có điện tích +C| chiếm
các trạiig thái trống ở đỉnh vùng hóa trị gây ra. Hạt tưởng tượng này được gọi là ìẵ rrốỉìii. Ngưòi
ta có Ihể gái) cho nó một khối lượng hiệu dụng lĩip.
Như vạy trong vật liệu bán dẫn có hai loại hạt tải điện ; Điệỉì tử ìroti^ VÙỈH' dần và lỗ
trốtis troỉiịi víiHiỉ hóa trị.
Ví dụ bán dần silic và gecmani : Mỗi nguyên tử của linh thể silic hoăc gecmani trao đổi
bốn điện tử ở vòng ngoài với bốn nguyên tử láng giểng gẩn nhất để tạo nên 4 liên kết đồng hóa
trị ; Có n g h ĩ a là ở nhiệt độ OK tất cả các điện tử hóa trị của silic đều tham gia vào liẽn kết
nguyên tử, do vậy vành hóa trị là hoàn hảo. Hay nói khác đi vùng hóa trị bị bão hòa, tức Ui tất
ca các mức năng lượng được phép ờ trong vùng hóa trị đều bị chiếm bởi điện tử, trong khi ử
vùng dẫn lại bò trống hoàii toàn.

Khi T

ƠK, năng lượng nhiệt kích thích dao động nhiệt cùa mạng linh thể. Một sô' điện

lử hóa trị có tlìể thu Iiílng lượng nhiệt để phá v 5 liên kết và chuyển lên mức năng lượng được
phép trong vùng dỗn và đế lại trong vùng hóa trị một số lổ trống. Như vậy đă hình thành một
cặp điện lử - lỗ trống (hình 1.4). Lổ trống này có thể bị lấp đầy nhờ điện lự ỉáng giềng và đến
lượt nó lại đế lại một lỗ trống, quá trình này được lặp lại và lỏ trống hình như dịch chuyên một


cách tự do theo hướng ngược với hướng của điện tử. Đ iểu đó c ó nghĩa là việc đứi 'nội ỉìtn kết
đồng hóa trị làm cho một điện từ chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Đ ó chínl là quá trình
phár sinh một cặp điện tử - lỗ trống. Còn quá trình ngược lại ; tức là quá trình xây dựng lại một
liên kết nhờ điên tử rơi từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị (với sự phát xạ nãng lượng) là sự túi hợp
(xem hình 1.5).

H in h L S , Q uá trinh p h á t sinh và tá i hợp áiện tử và iỗ trống.

ở trạng thái cân bằng nhiệt động, s ố điện tử phát sinh đúng bằng s ố điện tử tái hợp. Bán
dẫn như vậy được gọi là hán dãn ròng (hay còn gọi là bán dẫn tinh khiết).

1.4. NỔNG ĐỘ HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN

ròng

ở trạng thái cân bằng nhiệt động, xác suất để điên tử chiếm mức năng lượng E là :

1

fn(E) =
1 + exp

E -E
KT

Còn xác suất chiếm chỗ cùa lỗ trống bằng xác suất để vị trí này không bị chiếm bời điện
tử, nghĩa là bằng :

1

fp(E) = l - f „ ( E ) =
1 + exp

Ep - E
KT

Giả sử n và p là nồng độ điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị (chính là số
điện tử và lỗ trống trong một đơn vị thể t í c h ) ; chúng được tính từ biểu thức sau :
£ i* VVIAV

n = 2.

N(E).f„(E).đE
Ec

E


p = 2.

|p (E ).fp (E ).dE

( 1. 1)

•vmin
Trong đó : Ecmax là mức năng lượng c a o nhất của vùng dẫn ;
Ev„,in ỉà mức năng lượng thấp nhất của vùng hóa trị ;
Thừa số 2 là do mỗi mức năng lượng c ó thể bị chiếm 2e" có spin ngược nhau.


N(E) và P(E) là các mậl độ trạng thái Iroiỉg vùng dẩn và vùng hóa !rị. chúng
dược xác địiih lừ các biêu thức sau :

N(E) = 2n

K

2m,

. (E - E^.)

1/2

hvà
2m

. ( E , - E ) 1/2

P(E) = 2n

( 1.2 )

hThay các biêu thức Iiày vào (1.1) và m ớ rộng cận lấy tích pliiìn cùa

vàravò

cùng (diều này khôiig gây ra sai s ố khi là'y tích phân), ta thu được :

n = 4n

í 2m; '

V'
/2

^
0

1 '1- ;

Ec
Er 1 + exp
/2



p = 4n



( E - E , o ' ^ “ dE
E - E p

KT

E,

'

(E y - E ) '^ ^ »



.

exp

-X

-E
KT

Giá sứ bán dủn là khôiig suy biến, nghĩa là các trạng thái bị chiếm bởi điện lử vù lồ tiốiig
rất Iihỏ so với toàn bộ số mức đã có , do vủy c ó ihé’ loại trừ 1 tnrờc hàm mũ, vì giá trị của
(E - E^.) và (E^, - E) rất lớn so với KT. Khi đ ó 'x á c suất bị chiếm đồng nhất với xác suâì
Maxwcll-Boltzniaii :
E - E

KT
do vẠy :
n= 2

'27tm ;K T"

/2

- exp

E c-E f]

l

k t

J

hay ;
n = Np exp

KT


p = Nv exp

^ E y -E p ^
KT

(1.3)

trong đó ;

N, = 2

2ĩtm*KT

27t m p K T

. N ,= 2
1,2

2LKBCMMACHA


là một độ trạng thái tương đương trong vùng dẫn và vùiig hóa trị. Từ đó. chúng ta cũng tìm
được mírc năng lượng Fermi :
EF = E , - K T . I n

N

(a)

hoặc
Ep = E, - KT.ln

/V,
(b)

1.4)


n.p = N^.Nv exp

Eẹ -E
KT

Tích số (n.p) này độc lập với Ep, nhưng lại là một hàm số cúa nhiệt độ T và của độ lộng
vùng cấm (E^ - Ev) = Ep của vậi liệu bán dẫn đà khảo sát.
Thay các biểu thức của Nc vù Nv vào tích số n.p, ta thu được :
2
_ * ^3
n.p = rầị = A. 1 . exp

(1.5)
KT

Trong đó : ĩìị là nồng độ hạt tải điện (điện lử và lỗ trống) cúa bán dẩn ròng, ở Iihiệl độ
plìòng (T ^ 300K), trong bán dẫn silic cứ 3.10** nguyên tử silic cho một cặp điện tứ - lồ tiỏnu ;
còn trong bán dản gecmani thì cứ 2.10^ nguyên tử cho một cặp. Từ (1.5) ch o thấy nồng độ híU
tâi trong bán dần ròng p h ụ thuộc rấ t mạnh v à o n h i ệ t đ ộ . Hình 1.6 c h o thấy s ự thay đ ố i ci ia Iij

theo nhiệt độ của một sỏ' tinh thể bán dẫn chủ yếu.
r|i (cnrí^)

10

2LKB0VM^CH.B


Trong một bán dẫn ròng, nồng độ điện tứ luôn luôn bằng nồng độ lổ trống ; tức là ta luôn
c ó đắng thức sau :
n = p = ĩii
Từ các biểu thức của n và p trong (1.3), có thể tìm được mức Fermi của bán dẫn ròng :

E “ E
E
Do vậy, nếu rrin =rrip thì mức Fermi nằm giữa vùng cấm , vì — -------^ = —

Còn khi

m* ?imp thì mức Fermi chỉ nẳm giữa vùng cấm ở nhiệt độ T = OK. Khi tăng nhiệt độ T thì
mức Fermi sẽ dịch về phía mà ở đó các hạt tải có khối lượng hiệu dụng nhỏ nhất. Chú ý rầng, ở
nhiệt độ phòng T = 300K, KT/q = 2 6 .1 0 ^eV và rrin không khác nip nhiều, thì mức Fermi
cũng nằm gần giữa vùng cấm.

1.5. BÁN DẪN CÓ TẠP CHẤT
N ồng độ các hạt tải trong bán dẫn thay đổi một cách đáng kể nếu chúng được pha tạp bởi
các nguyên tử tạp chất. Sự phụ thêm nguyên tử tạp chất đưa bán dẫn thành loại bán dẫn c ó tạp
chất. Bán dẫn này, mãc dầu có cấu trúc tinh thể không thay đổi so với bán dẫn ròng, song độ
dẫn điện của nó thì tăng lên rất mạnh, phụ thuộc vào mức độ pha tạp và bản chất nguyên tử của
chất pha tạp.
Mức độ pha tạp được đánh giá bằng ppm (Ip p m : 1 trên một triệu ứng với 1 nguyên tử tạp
chất irên lo'’ nguyên tử bán dẫn). Các nguyên tử pha tạp được chọn từ các nguyên tử của nhóm III
hoặc nhóm V trong báng tuần hoàn các nguyên tô' hóa học. Nếu là các nguyên tử của nhóm III thì
ta sẽ thu được bán dẫn pha tạp loại p, hoặc sẽ được bán dẫn loại N nếu bán dẫn được pha tạp các
nguyên tử của nhóm V.

1.5.1. Bán dẫn loại N
Khi pha tạp silic (hoặc gecm ani) các nguyên tử thuộc nhóm V (chẳng hạn như phốtpho
hoăc antimoan...) thi các nguyên tử tạp c h ít này sẽ thay th ế các nguyên tử silic ở trong mạng
tinh thể đc lạo nên các liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên lử silic láng giềng gần nhất. Như vậy
c ó một điện tử hóa trị thứ 5 của nguyên tử pha tạp liên kết yếu với nguyôn tử láng giểng xung
quanh và cũng liên kết yếu với nguyên tử của chính nó, nôn chỉ cần một nâng lượng nhỏ cũng
giải phóng nó khỏi nguyên tử của nó để trờ thành điện tử tự do. Nguyên tử tạp chất trở thành
ion dương nằm c ố định trong mạng tinh thể của silic. Tạp chất hóa trị 5 này được gọi là tạp
chất clô-no, có nghĩa là tạp chất ch o điện tử tự do. Còn bán dẫn có tạp chất đỏ-no được gọi là
bán dần loại N.
Chẳng hạn phốtpho trong silic là một nguyên tử đô-no, nghĩa là nó ch o một điên tử dẫn ở
trong m ạns theo mô hình :

p

p"
c ố định

+ (£-)
linh động

11


Nêu pha tạp Nj nguyên tứ đô-no trẻn một đơn vị thể tích, thì sẽ xuấí hiộn íroiig vìiing LJIÌ1
các m ứ c nãiig lượ ng nảm rất gầ n đ á y vùng dản. Ncii s ố điện tir hì n và sô lỗ trố n g lã p (lììỉ sỏ cát

hạt Ííii tự do trong mộl đơn vị ihể lích sẽ luân tlico định luộ( /í/í

khôi Ịi(Ợfì\» ;

n .p = n?
và định luật íntniỊ hòa diện :
-t|.n + q.p + q.Nj = 0
lừ đó suy ra :
Nci

Nếu N j » 4 i i j ^ (điều kiện này thỏa màn trong một vùng nliiệt độ khá rộng ĩìf 3()K< dcn
500K đối với silic) khi đó ta có ;
n = N^ị là các hạt lải điện i ơhuỉì.

p=

là các hạt lài điện klỉôiìii r ơ inỉỉi.
N

Còn nếu N J «

4n , nghĩa là mội độ các hạt tái ròng lớn hơn mẠí độ đỏ-no, Ihì ;
n = p = lìi .

Chế độ này được gọi là í l ìể d ộ híht íìíhi ĩiiỉli khiểí. Hình 1 7 inỏ ta sự ihay đổi mật đ ộ điộn' lử
khi N^I = 1 0 '^* cm"‘^ theo nhiệt độ. Trong vùng nhiệt độ lừ 30 đến 500K mậl độ điện tử không tỉhiiy
đổi và bủiig mật độ đỏ-no. Nàng lượiig nhiệt đú để ion hóa hết các nguycn tử tạp chất, nhưny kh(ỏng
có khá nàng tạo ra một số lớiì các hạt tai. Chế độ Iiày gọi là chế độ ion hỏa hớ) (ÍÔ-ÌÌO.
n/N.

I

/
/
/
/ Oị tinh khiết

Nh=

lon hoá hết
Đô-no

^

— t— 1— ^
----- 1---------í—
300
500 700
900

^ 100

ỉ i i n h Ì J . S ự ịỊỉíív d o i lììật (lộ (ĩiện tử th eo ỉìhiệt (iộ kh i N

T K

Ị~10

/6

i fn

Trong bán dản loại N này, mật độ hạt tai điện cơ bán được Xííc định lừ biểu thức :
n = N^ị = N(-.exp

E , - E Fn
KT

với Ep„ là mức Fermi của bán dẫn loại N.

\7


H ìn h 1.8. Tạp chất đô-no trong đơn rinh th ểx ilic .

1.52. Rán dản loại p
Nếu pha tạp bán dẫn tinh khiết các nguyên tử hóa trị 3 (như bor, galium (Ga), aluminium
(Alf, hoăc idium,...), thì mỗi nguyên tử tạp chất hóa trị 3 thay thế vị trí nguyên tử bán dẫn tinh
khiết gốc và tạo ra liên kết đồng hóa trị với 3 nguyên tử láng giểng gần nhất, còn liên kết thứ tư
khíng hoàn hảo và vì vậy làm xuất hiện một lỗ trống. Do vậy, chỉ cần một năng lượng rất nhỏ
cũrg ch o phép một điện tử của liên kết đồng hóa trị gần đó đến chiếm lỗ trống và lại làm đứt
lien kêì khác. Các nguyén tử tạp chất hóa trị 3 này có xu hướng bắt điện tử của vùng hóa trị làm
tăng lỗ trống trong bán đẫn nên người ta gọi nó là tạp chất a cceptor, nghĩa là tạp chất bấi điện
tử và ch o lỗ trống. Còn bán dẫn c ó tạp chất loại này gọi là bán dẫn loại p .
Các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 này bắt điên tử trong vùng hóa trị để tạo ra lỗ trống ở
trcng vùng đó. Nếu pha tạp Na nguyên tử tạp chất, thì trong vùng cấm sẽ xuất hiện Na mức
năng lượng nằm rất gần đỉnh vùng hóa trị. ở nhiệt độ thấp, các mức này không bị chiếm bởi
điện tử, c ó nghĩa là chúng còn trống ; nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chúng bị lấp đầy bởi các
điện tử ờ trong vùng hóa trị. Do vậy, số lỗ trống trong vùng hóa trị sẽ gần bằng Na và hạt tải
điện của bán dẫn loại p trên một đơn vị thể tích là ;
Pp = Na là hạt tải điện cơ bản ;
n„ =

là hat tải điên không cơ bản.

Trong khoảng nhiệt độ đó, các nguyên tử tạp chất đểu bị ion hóa nên mật độ lỗ trống
bing mật độ nguyên tử tạp chất. Chế độ này gọi là ch ế độ hão hòa acceptor. Sô' lỗ trống tự do
nhiều hcfn sô' điện từ tự do, nên bán dẫn là loại p. Với bán dẫn loại p này thì :

13


Pp

= Na = Np.exp

^ E p p -E v '
l

KT

;

Với Epp là mức Fermi của bán dán loại p.

Lỗ trống

t i i n h 1 .9 . T ợịỉ c h ấ t iii í e p to ỉ n o i ì \ i (íơft Ỉiỉỉli ilic sìỊii

1.5.3. Độ dẩn điện của bán dẫn
Trong các tinh thể bán dẫn ihực, sự chuyển dời của các hạt ĩiii điện bị ngăn trở bứi dao
động nhiệt của lìguyẽn tử của mạng tinh thể, bởi sự có mặt của các khuyéi lột, ciia các lạp clìiVt
và của các hạt tải điện tự do khác có trong mạng tinh thế đó. Điện lứ chịu tất cả các \ ÍI chạm
với các "trở ngại" nói trên, làm cho quỹ đạo chuyển động của chúng trớ nên hỏn loạn, vì vạy
vận tốc trung bình theo hướng bằng không.
Nếu la tác động một điện trường Ẽ đủ lón ihì vừii lốc trung bình cúa lìal tái sc ti lệ với
diện irường Ẻ theo hệ thức :
<

Ẻ cho điện tử và

< Vp > = -fXp£ cho lổ trống.
Irong đó :



là độ linh động của điện lử và của lỗ trống.

Chiều cùa < Vj^ > ngược với chiều của Ẽ y trong khi chiều của < Vp > cùng chicu với Ẽ .
Khi đó mậl độ dòng của điện tử và lỗ trống là :
J„ = - q n < v „ > = q n n „ Ẽ = ơ „ Ẽ


ĩp 4 q p < Vp >=qpụpẼ = ơpẼ

trong đó : ƠỊ, và ơp là độ dẫn điện cúa diện tử vù lỗ trống.
Nếu cả hai loại hạt tải cùng tham gia dẫn điện thì mât độ dòng tổng cộng sẽ là

ĩ = Jn +Jp = (ơ„ + ơp) Ẽ =ƠẼ
14

;


vói a = q(iụi„ + P|.tp) là độ dẫn diện của bán dẫn khi có cà hai loại hại tái tham gia đAn điệiì.
Đối với bán dẫii loại N, thì n »

p, nên độ dản điện cúa nó là :
(Q.cm )

Nếu tăng

-1

thì độ dần điện ơ„ cũng tãng, do vẠy điện trở suất sẽ giám. Chất bán dảii plìii
Sỉỉấỉ c ủ a nó s è í

ỉ ọ p í í'///ự nlìiiU t r h ì d i ệ n f r ơ

{ỊÌdnt.

Tuy nhiên, độ linh động ịXị^ lại giám khi

mật dộ nguyên tứ tạp chất tăng. Do vậy cơ ch ế dẫn điện ớ trong vùng pha tạp mạnh tương đối
phức tạp.
Đỏi với bán dẫn loại p, độ dẫn điện cúa nó là :
ơp = qN,^ip

(n .c m )

“ I

Khi N., ràng thì ơp cũng tăng, do vậy điện trờ suất giảm. Bán dãn pha tạp càng mạnh thì
điện trứ suíìt càng giam. Tuy nhiên, đỏ linh động J,ip giảm khi lãng nồng độ tạp chấl. Hình 1.10
cho thấy sư thay đối của điện trớ suất vù độ linh động (hình 1.1 ỉ ) cúa bán dẫn silic và gecmani
loại N và loại p tlìco nồng độ tạp chất

hoặc

ở nhiệt độ phòng T = 30UK.

ỉiìttỉt ỉ . 10, Diệti ĩrà snâỉ Ciia Gỉ^ và i íia Si íhítY dổi theo nổỉiỊị (ỉộ tạp vlìtíĩ Ớ T = 300K.

1.6. S ự PHA TẠP BÁN DẪN
1.6.1. Sự pha tạp bán dẫn nhóm IV
Đỏi với bán dẫn nhóm IV, thì tất cả các nguyên tố cùa nhóm V đều là tạp chất loại N vì
chúng có 5 điện tứ hóa trị. Nguyên tô' pha tạp thưòmg được sử dụng nhất là phốtpho (P), arsen
( As) v;\ antinioam. Arsen

được sử dụng nhiều hơn phốtpho vì độ hòa tan của nó lớn hơn.

'1'àt cá các nguyên tố của nhóm III đểu là tạp chất acceptor, vì chúng có 3 điện tử hóa trị
ở l(ýp ngoài cùng. Nhôm (AI) ít được sử dụng hơn cả, vì nó phản ứng mạnh với ô-xy (Oi). Bo la
nguyên tỏ hay được sử dụng hơn cả.

1.6.2. Sự pha tạp bán dẫn
Quá tiình pha tạp bán dẫn loại này phức tạp hơn sự pha tạp bán dẫn nhóm IV. Ta hây liVy
trường hợp GaAs làm thí dụ

:

Các nguyên lố cùa cột 6 trong bủng tuẩn hoàn hóa học Meiicielee

V

15


như Te chẳng hạn, thay ih ế các nguyên lừ As để tạo nên bán dán loại N, vì ion Tc^ cổ 5 điện lư
hóa trị. Các nguyên tố cúa nhóm II như Zn thay thế các nguyôn lử Ga đc tọo thành bán tỉẫii loai
p, vì ion Zn chi có 3 điện tử hóa trị. Trong khi các nguyên lô cúa nhóm IV cùa bang tiiần ÌKKin
hóa học như Si có thể ch o pha tạp hoặc loại N hay loại p lùy theo Si thay ihc ch o Ga hay As.
Ngoài ra còn c ó các hợp chất như Gai.^^Al^As c ó độ rộng vùng cám là một hàm cua X.
Báng sau đủy cho biết một số đặc trưng quan trọng của một số bán dẫn quen ihuộc-

(i) Sự thay (tổi nia (ĩộ linh (íộiiỵ ( íui Ge theo itóiiỊỊ (íộ.

b ị S if thay iỉổ i i ùa tíộ litili (tộnỵ t tiỉí S i ih*'o HỐHỊỊ iĩộ tạp f hất

H ìn h I . I L Đ ộ iinỉì ỉĩộng thay d ố i rheo tiổnỵ dộ tạp i ỉuit
vừ N^ị của G eịa) và n h ỉ Si(h) à nhiệt àộ ỊĩhôtiịỊ.

16


lỉảng cúc đặc trưng một sỏ bán dản ở nhiệt độ phòng (3(M)K)
(E ,-E J c V

n, (Cm ’ )

ti„(CmVv.s)

^p(Cm^v.s)

e (l(r '-F /C m )

('■c

0 ,6 6

2,4. lO' -'

4000

1900

1,44

Si

1.12

1,2.10'«

1400

50 0

1,04

c iaAs

1,43

10’

8500

400

0,96

(ial>

2.24

110

75

0,88

InSh

0 ,1 6

3.10^

7800

750

1,50

CAiS

2,42

2 .1 0 ““

300

50

0,88

1.6.3, Giói hạn về nồng độ cua nguyén tử tạp chất
Mật độ cực đại các nguyên tử tạp chất mà ta muốn đưa vào troiig tinh thể bán cíẩn
được quyết định bởi ỉĩiới hạn lỉòíỉ tan của tạp chất ấy. Chảng hạn ờ nhiệt độ của lò khuếch
tán (từ 1000 đến 1200‘’C) độ hòa tan của A s c ỡ gần bàng 10"* cm ^ và đối với Bo và
phốipho hì vào khoáng 10^*^ cm \ N ếu vượt quá giới hạn này, ihì hiện tượng kết tủa sẻ xảy
ra ; khi đó tạp chất sẽ không còn c ó các tính chất như đà m ô tả nữa. Mật độ cực đại được
xác định bằng mức độ tinh khiết của vật liệu. Như Bo trong Si, ta k hông ihể loại bó nguyên
lố này xuống dưới l o ’ ^ n gu yên tử trên một cm^ được, có nghĩa là luôn luôn có một nguyên
tử Bo irên 5.10^ nguyẽn tứ Si.
Giới hạn Irên cua mật độ lạp chất được xác định bởi giá írị cực tiếu của điện tró siKÍt cúa
bán dần được pha tạp (cỡ 10 ^ Q.cm ) ; Còn giới hạn dưói được quyết định bời giá trị cực đại
cúa diện Irở suất cúa bán dẫn ròng (cỡ 10** Q.cm).

L7. SỤ CHUYỂN DỜI CỦA CÁC HẠT TẢI TRONG BÁN DẨN
i.7.1. Một sò dính nghĩa cơ bán
Trong các tinh thể bán dản, nếu các hạl tai phãn bố khôiig đểu, hoặc giữa các miền khác nhau
có nhiệt độ khác nhau, thì các hạt tải sẽ chuyển dời lừ nơi có nồng độ cao sang nơi có nóng độ thấp
hơn, hoạc từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Trong các trườiìg hợp trên, định luật tác
dụng khối lượiig không còn nghiệm đúng nữa, nghĩa là n.p ^ 11 “ . Trong trưòfiìg hợp này, tinh thê
bán dẫn bị nuíĩ càn hằiìịị ỉilỉiệt (ỉộiìsị, Có thế xảy* ra hai trường hợp sau đây :
a) Nếu n.p > n" : Có nhiểu hạl lái hơiì so với trưcyiìg hợp cân bằng nhiệt động. Có nglìĩa là cỏ
sự pliủĩ sinh các hạt tái troilg bán dẫn ; hay nói cách khác, bán dẫn (ỉưực phun củi hạt ídi diện.
b) Nếu n.p <

: Có ít hạt tải hơn so với trường hợp củn bầng nhiệt động. Có nghĩíi là có

sự lìúỉ hớt liạỉ uìi (tiện khòi bán dẫn ; hay còn gọi là c h ế độ làm nghèo các hạt tái điện irong
bán dẫn.
ở trạng thái cân bàng nhiệt động, mật độ các hạt tải luôn luôn íhỏa mãn hệ ihức :
*^o Po = 11 “ , Trong c h ế độ phun yếu, mật độ các hạl tải được phun nhỏ so với mật độ các hại tài
cơ bản. Trong trưòng hợp này, mật độ các hạt tải c ơ bản giữ nguyên giá trị như mật độ các hạt
tâi ớ trạng thái củn bằng nhiệt động. Chí có các hạt tải i
N í^ '
TRUNG TẨM THÒNG TIN THƯ VIỆN
3LKB0VMẠCH-A

17


ở ch ế độ phun niạiỉlì, mật độ các hạt tái được phun có thế so sánh với mật độ các hạt I;li
cơ bản. Trong ch ế độ này, ỉĩtậr (tộ diện íử

Ví/

lồ ĩrôỉii^ iỉcỉn nlnrnìiaiỉ.

1.7.2. Sự khuếch tán các hạt tải
1.72.1. M ật độ dòng khuếch tán
Trong linh ihế, nếu các hạt tải phân bố khòng đồng đều, hoặc giữa các miền khác lìhau có
nhiệt độ khác nhau, thì hat tài sẽ chuyên dời lừ miển có nồng độ cao sang miển có nổiig dộ
thấp, hoặc lừ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiột độ thấp hơn. Hiện tượng đ ó được gọi là ỉiiệti
Ỉỉừ/ÌHỊ kititếí li íún. Do đó dòng khuếch tán llìu được là :
'au
= -iỊradỊippKT
Trường liợp đặc bi ệt : trong các linh kiện bán dán coi không có s ự chênh lệch nliiệt d ộ
giữa các miển. Khi đó :
ĩdn = HnKTgriầdn = qD„]^radn _
ídp = -^pKTgradp = -qDpgradp
KT
KT
Với D„ = |.i,, — - và Dp = |ip— - là các hệ sô klìuếch iíhì của điện lứ và lỗ trống.

Nếu tồn tại cá điện trường ngoài và sự khncch tán thì mậl độ dòng điện tử và lổ trông
có dạng :
n “ -^cn ■** -^dn

^p ~

cp

dp

Trong các tinh thể đáng nhiệt, thì ;
= q ln ^ n Ẽ + Dngradn)
ĩp =q(PMpẼ + Dpgradp)

/.7.2.2. Khái niệm độ dài khuếch tán
Xuủì phá! từ bán dẫn đồng nhất ở trạng thái củn bằng nhiệt động. Giá sử ỏ bề mặt bán
dẫn, nồng độ hụt tai lớn hcfn mật độ cân bằng và trong lòng bán dẫn không có hiệii tưựng sinh
hạt tái, như vậy sẽ có hai quá trình xảy ra đồng thời :
- Sự khuếch lán hạt tải vào phía trong bán dẫn; ở đấy nồng độ luôn luôn bằng nồng độ
cân bằng.
- Sự tái hợp hạt tải dư trong quá trình khuếch tán trong khoáng thời gian bàng thời gian
sống của chúng.
Chúng ta sẽ nghiên cứu hai hiên tượng trên theo hướiig vuông góc với mặt phắiig đi qua
gốc của trục hoành (hình 1.12). Nếu không c6 mặt của điện trường trong bán dẫn, Ihì mạt độ

18

3LKBDVMACH.B


dòiig khuếch lán sẽ là :
Ĩ |1 =qD„gradn = qD„

Õu



ỡx

tn

õn
õx

-- *f - d i v j ,

q

trong đó : n„ là nổíìg độ điện lử trong trạng thái cân bằng.
Trong ché dộ dừng — = 0 do vây :
ổt
D

õ~n

II
n (tt\)—
- nn

° =0

từ đó tìm được :
n(t) - n„ = Ịn(t) - lìolexp

Đại lượng L„ =

69*

khuếch tấn. Đ ó chính là khoảng chạy trung bình

của điện tử do sự khuếch tán trong khoảng thời gian sống. Tương tự, với lỗ trống ta cũng có :
Lp =

. Hai đại lượng Lị, và Lp là hai đại lượng quan trọng trong cá c linh kiện bán dẫn ;

nhâì là trong các linh kiện hoạt đông dựa theo sự khuếch tán các hạt tải như trong các linh kiện
quang điện tử.

Hiiih 1.12. Sự kinte'( h lán rác hạt uii.

19


Chương 2

ĐIỐT CHUYỂN TIẾP P-N

2.1. CÁC ĐẶC TÍNH TỔNG QUÁT
Chuyến tiếp P-N là một cấu Irúc bán dẫn cơ bán cúa nhiều linh kiện điện tử. Nó được tạo
thành ờ miền liếp xúc tinh thể bán dẫn loại N và loại p. ở đây chúng ta chí quan tâm lới licp
xúc được thực hiện từ một đơn tinh thể như si-lic (hoặc Ge) ; trong đó chì có mức độ pha tạp và
ban chất tự nlìiên của tạp chất thay đổi từ miền này sang miền khác. Còn việc nghiên cứu sự
liếp xúc giữa các chất bán dăn khác nhau và siêu mạng sẽ được đề cạp ở chương sau.
Giá sử liếp xúc "ìiliíỉv hậc"\ tức là nồng độ các hạt tải thay đổi đột ngột qua mặt pliáiig
ỉiếp xúc. D o vậy, nếu vắng mặt điện trường ngoài, các hạt tái điện cư bản từ miền này sc
khuếch tán sang miền kia, tạo thành dòng khuếch tán qua lớp chuyến tiếp. Cụ thế ơ đây ;
* Điện lử từ miển N khuếch lán sang miền p tạo thành dòng khuếch tán
* Lỗ trống của miển p khuếch tán sang miền N tạo thành dòng khuếch lán
Khi rời khỏi bán dẫn gốc, các hạt tải điện cơ b^n để lại ờ vùng biên giới giữa hai miển N
và p các nguyên ỉử ion hóa (dương trong mién N và âm trong miển P), liên kết với mạng tinh
thẽ\ vì được giữ cố định nên chúng tạo thành một diện tì ườìì\ị ỉtội, định xứ Irong miền biên giứi
và hướng từ miên N sang miên p. Điện trương nay có xu hướiỉg củii trở dòng khuếcli lán ciia
các hạl tái cơ bán. Như vậy ở vùng biên giới giữa hai bán dần N và p xuất hiện mộí hàng rào
thế cán trờ sự khuếch tán các hạt tai điện cơ bản.
Cồn các hạt íiii không cơ bản (điện tử ỉrong miền p và lồ trổng trong miền N) luỏii luòii
có niiỊt ờ lủn cộn biên giới, dưới rác dụng cúa điệiv trường nội lại dề dàng chuyển qua biên giới
tạo thành (lòĩiiỉ m»trợ( lịp và “ lị„ đế tạo ihàiih dòn g điện ngược tổng c ộ n g (Ijp + Iị„) hướng từ

miền N sang p.
ở trạng thấi cân bằng nhiệt động, dòng tống cộng qua đường biẽn giới giữa hai vùng
bằng không vì dòng khuếch lán có giá trị đúng bằng dòng ngược của các hạt tải cùng loại. Do
đó xuất hiện một vùng không còn các hạt tải cơ bản tự do ờ lân cẠn biên giới. Vùng dó gọi là
"v/mt' sa niạc \ hay còn gọi là vÙNiỊ chuyển tiếp P-N. Trong vùng này chi còn các nguyên tử
của mạng tinh thể bị ion hóa nên còn gọi là vùỉìiỊ íỉiện ĩid i khỏn^
Tất cả những điều đã nói được mô tả trên hình 2.1. Nếu tác dụng vào miền N và p một
điện trường ngoài, thì xảy ra hai trường hợp :
1) Phán cực rlììỉận nếu (Vp - Vj,) > 0

20


Trường hợp này điện trường ngoài làm giảm hàng rào thế, do vậy các hạt tải cơ bàn dề
dàng chuyển qua lớp chuyển tiếp vù tạo ra dòng thuẠn có giá trị lớn, trong khi các hạt tíii không
cơ bàn lại không có tác dụng.
2) Phàn cực ỉỉiỊĩrực nếu (Vp - v,j) < 0
Trưòng hợp này làm nâng cao hàng rào ihế. D o vậy các hạt tải cơ bản không thế chuyên
qua lớp chuyển liếp, trong khi các hạt tải không cơ bản lại chuyển qua một cách dể dàng đế tạo
ihàiih dòng điện ngược. Lớp chuyến tiếp P-N có đặc tính như vộy tạo nên một điốt bán dỉm P-N.
Đ ó là một linh kiện điện tử hai cực có ký hiệu —



.
Vùng điện tích không gian 0,5 |im
Điện tích không gian

V(x) Oiện thê'

Vp=o

0

Hàng rào thế
đối với điện tử
E=0

H iniỉ 2 .L Chỉiyển íiẽp P -N i liira Ịĩhán i ựi

21


2.2. CHUYỂN TIẾP P-N CHƯA PHÂN c ự c
2.2.1. Điện trường trong vùng điện tích không ỊỊÌan
Giả sử vùng chuyển tiếp không bị nhiều loạn từ bên ngoài (điện trường, ánh s;íiig ...) tó
nghĩa là trên mọi điểm cùa bán dẫn không có dòng điên tử và lỗ trống.
Gọi ;
»op

Pop

nồng độ điện từ và lỗ trống trong miền p trung hòa.

n„„ và p„„ là nồng độ điện tử và lỗ trống trong miến n.
N (1 !à nồng độ tạp chất đôno trong miền n.
Ny là nồng độ tạp chất acceptor trong miền p.
Hị là nồng độ điện tử và lỗ trông của bán dẫii ròng.

Giả sử ở nhiệt độ phòng tất cà các nguyên tứ tạp chất đều bị ioii hóa, do vộỵ ;
•^on =

với các hạt tải cơ bản, ta c ó :

Pop = N a

Pon -

còn với các hạt tải không c ơ bản thì :

N

Theo một hưóng vuông góc với mặt phàng biên giới giữa hai vùng n và p, lấy gốc tọa độ
tại mặt phẳng này, thì sự thay đổi nồng độ tạp chất (hình 2.2a) điện tích không giaii và các
thôiig sô' khác của vùng chuyển tiếp được biểu diển trên hình 2.2a, b, c, d. e, f.
ở trong vùng "sa mạc" nổng độ điện tử và lỗ trống rất nhỏ so với Iiổng độ tạp chất, nên
điện tích không gian trên một đơn vị diện tích bể mặt ciia lớp chuyển tiếp c ó thê’ viết :
vể phía p, giữa -Xp và 0 là -qN.,Xp
vé phía n, giữa 0 và x„ là qNdX,,.
Tổng điện tích của toàn bộ vùng này bàng không (điều kiện trung hòa điện) nên ta có ;
XpN„ = x„Nd.

(2.1)

Công thức này cho thấy miền chuyển tiếp ăii sâu vùo yùiiịỊ pha lạp ÍI.
Nếu g ọ i p (x ) là mật đ ộ điện tích của m iển điện tích không gian và E = E„Er là hiiiig số
điện môi của chúng thì diện trường nội và diện thế tuân theo phương trình Poission :
Đ iện trườiig ở phía P(-Xp < X < 0) :
a ả (x ) _ p(x) _
5x

qN^

E

e

Sau khi lấy tích phân và dùng điểu kiện giới hạn : Ep(-Xp) = 0 , thu được :
qNạXp '
E „ (x ) = -

1+

với
p>

22

-X p < X

< 0

(2 .2 )


Điện trường ớ phía N (0 <

X

< x„) :

5E n (x) _ p(x) _ qN,|
ỡx
Sau khi tích phân và sử dụng điểu kiện giới hạn : E„(x„) = 0 ta sẽ thu được :
E „ (x ) = -

qNdXn

1-

với (0 <

X

< x„)

(2.3)

Vùng chuyển tiếp

N«-N,

N.
MiềnP

MiểnN

-Xp

-N.

Mặt phẳng tiếp giáp p - N
w -----

H ìn h 2.2, Sự phân bố iiựt tải và líiện tnrrrĩỊíỉ. líiện th ế trong vùng diện tích khồng gian.

23


Điện irường là một đại lượng liên tục, do vủy tại X = 0 ta có ; E„(ơ) = Ep(0) lừ cló siiy r;i
.điều kiên trung hòa điện ( 2 . 1).
Tại mặt phảng tiếp xúc (x = 0). điện trường đạt giá Irị cực đại. Giá ỉrị cùa nỏ khá lớn, VÌIO
cỡ kV/cm và phụ thuộc mức độ pha lạp.

2.2.2. Độ rộng vùng diện tích khồng gian
Lấy tích phân cùa điện trường theo loàn bộ chiểu dài cúa vùng điện tích kliòng giiin, la sc
thu được sụt thế trong vùng này ;
Xịj

0

V ^ = - |E (x )d x = -Xn
■p

'

X|J

j E p ( x ) d x - |E n ( x ) d x
-x«

0

thay các biêu thức của điện trường vào các tích phàn trẽn, la sẽ thu được :
Vb =

q( N , x2+N^x2 )/2e,

vói Vb =

v„ -

Vp

(2.4)

Sử dụng điểu kiện trung hòa (2.1), ta thu được :
n

2e
[q

I/2

(2.5)
Ỉ/N « + 1 /N j


/2

2e
Xn =

N

( 2 .6 )

1 /N ,+ 1 /N d

Đ ộ rộng vùng điện tích không gian w = x„ +
vv =

Xp :

Vb (Hm)

Đ ộ rộng vùng điện tích không gian tăng theo chiểu cao của hàng rào thế với quy luật

(2.7)
1/ 2

.

Khi nhiệt độ tăng, chiểu cao hàng rào thế giảm, vì vậy độ rộng vùng điện tích không gian
cũng giám theo.

2.3. CHUYỂN TIẾP P-N BỊ PHÂN c ự c
2.3.Ỉ. Đậc tính của vùng chuyển tiếp khi phán cực
Nếu tác dụng một hiệu điện thế từ ngoài vào lớp chuyển tiếp P-N thì sẽ xáy ra bii quá liình :
* Cấu trúc vùng năng lượng bị biến điệu.
* Vùng điện tích không gian cũng bị biến điệu.
* Có một độ dòng chuyển qua lớp tiếp xúc.
Sự có mặt cùa hiệu điện thế Vp - v „ làm xuất hiện điện tfường tại mọi điểm cúa tinh thê’
bán dẫn. Nếu V . - v „ > 0 (phân cực thuận) thì hàng rào thế bị hạ thấp xuống, nên dòng thuủn

24


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×