Tiếp giáp P-N – Giáo trình kỹ thuật điện tử – https://dhthanglong.com

Phương pháp tạo tiếp giáp P-N

Nếu trên một miếng bán dẫn đơn tinh thể ( bán dẫn nguyên tính ), bằng những chiêu thức công nghệ tiên tiến, ta tạo ra hai vùng có thực chất dẫn điện khác nhau : một vùng là bán dẫn tạp loại P và một vùng kia là bán dẫn tạp loại N. Như vậy, tại ranh giới tiếp xúc giữa hai vùng bán dẫn P và N này sẽ Open một lớp có đặc tính vật lý khác hẳn với hai vùng bán dẫn P và N, được gọi là lớp tiếp xúc P-N. Trong lớp tiếp xúc P-N chỉ gồm có hai khối điện tích trái dấu là những ion âm bên phía bán dẫn P và ion dương bên phía bán dẫn N. Đây là những ion cố định và thắt chặt, không dẫn điện, do vậy, lớp tiếp xúc P-N còn gọi là vùng điện tích khoảng trống hay vùng nghèo hạt dẫn .
Độ dày của lớp này khoảng chừng 10-4 cm = 10-6 m = micron .

Hình 3.9 mô tả các tính chất điện của tiếp xúc P-N. Trong lớp tiếp xúc tồn tại một điện
trường tiếp xúc hay điện trường khuếch tán (Hình 3.9 c) có cường độ là E được tính là
tích phân của mật độ điện tích ρ (trong hình 3.9 b). Điện trường tiếp xúc này có chiều
tác dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P.

Sự biến hóa của điện thế tĩnh ở vùng điện tích khoảng trống được chỉ ra ở hình ( 3.9 d ). Đó chính là hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của những lỗ trống qua lớp tiếp xúc .
Hình dạng hàng rào thế năng, hình ( 3.9 e ), ngăn cản sự khuếch tán của những điện tử từ bán dẫn N qua lớp tiếp xúc .

Đồ thị của tiếp xúc P-N gồm: a- cấu trúc tiếp P-N ; b- mật độ điện tích, c- cường độ điện trường,
d, e- hàng rào thế năng ở tiếp xúc P-N

Tiếp giáp P-N không có điện áp ngoài

Khi dòng điện do những hạt dẫn hoạt động khuếch tán và những hạt dẫn hoạt động trôi qua tiếp xúc P-N có giá trị bằng nhau thì ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân đối động ,. Do những dòng điện này ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau và dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc P-N bằng không. Lúc này lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu là d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu là RP / N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu là E0 ( hay còn gọi là hàng rào thế năng ) và tương ứng với nó có hiệu điện thế tiếp xúc ký hiệu là V0. Các đại lượng này ta sẽ tính được qua những công thức dưới đây. Do lớp tiếp xúc P-N là vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở của nó lớn hơn nhiều điện trở của hai vùng bán dẫn P và N ( RP / N >> RN và RP ) .
Điều kiện cân đối này giúp ta tính được độ cao của hàng rào thế năng V0 nhờ vào vào nồng độ tạp chất cho và tạp chất nhận. Giá trị của V0khoảng từ vài phần mười vôn. Theo hình 3.10 ta thấy mức nguồn năng lượng Fecmi của cả hai phần bán dẫn P và N nằm trên một đường thẳng. Mức nguồn năng lượng E0 – thế năng của điện tử hay hàng rào thế năng của điện tử ở tiếp xúc P-N khi nó ở trạng thái cân đối là :
E0 = ECP – ECn = EVp – EVn

Đồ thị vùng năng lượng của tiếp xúc P-N khi hở mạch (trạng thái cân bằng)

E0 = KTlnNDNA / n2i
Trong đó E0đo bằng [ eV ], và V0đo bằng [ V ] .
Ngoài ra, hiệu điện thế tiếp xúc E còn được tính theo công thức sau : E0 = KTlnPP0 / Pn0 = KTln ( nn0 / nP0 )
Chỉ số 0 trong công thức trên để bộc lộ rằng những nồng độ hạt dẫn này được tính ở điều kiện kèm theo cân đối nhiệt động .

Tiếp giáp P-N phân cực thuận

Tiếp xúc P-N được phân cực thuận khi ta đặt một nguồn điện áp bên ngoài lên lớp tiếp xúc P-N có chiều cực dương được nối vào bán dẫn loại P và cực âm nối vào bán dẫn N .

Tiếp xúc P – N phân cực thuận và đồ thị dải năng lượng của nó

Điện trường trong lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào thế năng giảm xuống một lượng bằng điện trường ngoài :
ET.X. = E0 – Engoài
Do đó phần nhiều những hạt dẫn hầu hết thuận tiện khuếch tán qua tiếp xúc P-N, tác dụng là dòng điện qua tiếp xúc P-N tăng lên. Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc P-N khi nó phân cực thuận gọi là dòng điện thuận Ith .
Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc P-N được phân cực thuận càng mạnh, hiệu điện thế tiếp xúc càng giảm, hàng rào thế năng càng thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày của lớp tiếp xúc cũng giảm, những hạt dẫn đa phần khuếch tán qua tiếp xúc P-N càng nhiều nên dòng điện thuận càng tăng và nó tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp ngoài .
Khi điện áp thuận có giá trị xê dịch với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc P-N thực sẽ được khống chế bởi điện trở thuận của tiếp xúc sắt kẽm kim loại và điện trở khối tinh thể. Do vậy đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống một đường thẳng .

Tiếp giáp P-N phân cực ngược

Lớp tiếp xúc P-N được phân cực ngược khi ta đặt một nguồn điện áp ngoài sao cho cực
dương của nó nối với phần bán dẫn N, còn cực âm nối với phần bán dẫn P. Khi đó điện
áp ngoài sẽ tạo ra một điện trường cùng chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện
trường trong lớp tiếp xúc tăng lên:

ET.X. = E0 + Engoài
Tức là hàng rào thế năng càng cao hơn. Các hạt dẫn hầu hết khó khuếch tán qua vùng điện tích khoảng trống, làm cho dòng điện khuếch tán qua tiếp xúc P-N giảm xuống so với trạng thái cân đối .
Đồng thời, do điện trường của lớp tiếp xúc tăng lên sẽ thôi thúc quy trình hoạt động trôi của những hạt dẫn thiểu số và tạo nên dòng điện trôi có chiều từ bán dẫn N sang bán dẫn P và được gọi là dòng điện ngược Ingược .
Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện thế tiếp xúc càng tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên. Nhưng do nồng độ những hạt dẫn thiểu số có rất ít nên dòng điện ngược nhanh gọn đạt giá trị bão hòa và được gọi là dòng điện ngược bão hòa I0 có giá trị rất nhỏ khoảng chừng từ vài nA đến vài chục µA .
Dòng điện qua tiếp xúc P-N : Dòng điện thuận :
Khi tiếp xúc P-N phân cực thuận, qua nó có dòng điện thuận. Đó là dòng điện do những hạt dẫn hầu hết khuếch tán qua tiếp xúc P-N. Ta có :

Nồng độ lỗ trống trong bán dẫn N khi tiếp xúc P-N phân cực thuận (Pn(0) >> Pno

+ Dòng điện lỗ trống I ( 0 ) đi qua tiếp xúc P-N về phía bán dẫn N là ( khi x = 0 ). IPn ( 0 ) = S.q.DpPn 0 ( eV / VT-1 )
Trong đó : IPn ( 0 ) – là dòng điện do những lỗ trống khuếch tán qua tiếp xúc P-N. S – là diện tích quy hoạnh mặt tiếp xúc .
q – điện tích của điện tử .
DP – Hệ số khuếch tán của lỗ trống. LP – Độ dài khuếch tán của lỗ trống .
Pno – Nồng độ hạt dẫn lỗ trống bên bán dẫn N. V – Điện áp phân cực thuận .
( VT = KT / q = T / 11600 ) e – số tự nhiên ( = 2,73 )
Ở đó Pn0 ( eV / VT-1 ) = Pn0gọi là tỷ lệ lỗ trống ” phun ” vào phía bán dẫn N. + Dòng điện điện tử Inp ( 0 ) khuếch tán qua tiếp xúc P-N vào phía bán dẫn P là : Inp ( 0 ) = S.q.DpPn 0 ( eV / VT-1 ) / Ln
Dòng điện qua tiếp xúc P-N là tổng của 2 thành phần dòng điện IPn ( 0 ) và Inp ( 0 ), vậy ta có :
I = IPn ( 0 ) + Inp ( 0 ) = I0 ( eV / VT-1 ) /
Trong đó I0 gọi là dòng điện ngược bão hòa và có biểu thức : I0 = S.q.DpPn 0 / LP + S.q.DpPP 0 / Ln
b. Dòng điện ngược bão hòa :
Thay những giá trị Pno = Pnvà npo = npta có công thức tính dòng điện I0 : I0 = S.q. ( DP / LPND + Dn / LnNA ). ni2
Trong đó :
ni2 = A0T3eEG0 / KT = A0T3e-VG0 / VT

Ở đây có VGolà điện áp có cùng đại lượng với EGo (năng lượng vùng cấm ở 00K). Do
đó sự phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng I0là:

I0 = K1T2e-VG0 / VT
trong đó K là thông số phụ thuộc vào vào nhiệt độ, và dòng điện tổng được tính gần đúng là : I = I0 ( eV / VT-1 )

Bài viết liên quan
0328593268
icons8-exercise-96 chat-active-icon