KHOA IN Tặ - VIN THNG
Bĩ MN IN Tặ CU KIN IN Tặ Bión soaỷn: Dổ Quang Bỗnh

Aè NễNG 1998

Ω
−
x .
Các vật liệu bán dẫn chiếm toàn bộ khoảng điện trở suất giữa chất cách điện và chất dẫn điện;
ngoài ra, điện trở suất của vật liệu bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung thêm các
nguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn.
Bảng 1.1, cũng cho biết các giá trị điện trở suất điể
n hình của 3 loại vật liệu cơ bản. Mặc dù
trong thực tế chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ (đồng nguyên chất) và tính
cách điện của mica, nhưng các đặc tính điện của các vật liệu bán dẫn như Gemanium (Ge) và
Silicon (Si) có thể còn mới lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn không chỉ có hai loại vật liệu này,
nhưng đây là 2 loại vật liệu được s
ử dụng nhiều nhất trong sự phát triển của dụng cụ bán dẫn.

BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của các vật liệu bằng chất rắn
Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện
cm.10
3
Ω
−
<
ρ
cm.1010
53
Ω<<
−
ρ

ρ
<.cm10

chất
có thể được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất 3-5),
hay nhóm II và nhóm VI (gọi là hợp chất 2-6). Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên
tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-
aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium-
phosphide]. Theo lịch sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn
đầu tiên được sử dụng. Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bới Si dùng để
chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan tr
ọng nhất hiện nay.
Silicon có mức năng lượng độ rộng vùng cấm (
E
g
) lớn hơn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho
phép sử dụng các linh kiện bán dẫn được chế tạo từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa để
hình thành nên một lớp ôxit cách điện ổn định trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý
trên Si khi chế tạo các vi mạch (ICs) dể dàng hơn nhiều so với Ge. Tuy vậy, Ge vẫn có trong
các cấu kiện bán dẫn hiện đại nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và m
ột số chất bán dẫn khác.
Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [gallium-
arsenic] và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật
liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED),
công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang . v. v. . .

Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Bảng 1.3 Giới thiệu một số chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các linh
kiện bán dẫn.
BẢNG 1.3 Các vật liệu bán dẫn

đều được tìm thấy ở các vật liệu đơn tinh thể ở dạng nguyên chất cao, chẳng hạn như: Silicon
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có bốn điện tử (electron) ở lớp ngoài
cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị.
Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trị của mỗi nguyên tử Silicon với 4
nguyên tử Si lân cận gần nhất dưới dạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình 1.1.
Để đơn giản, ta chỉ xét các mô hình liên kết đồng hóa trị ở dạng hai chiều như hình 1.2.
Sự liên kết bền vững giữa các nguyên tử bằng các điện tử hóa trị góp chung được gọi là liên kết
đồng hóa trị.
Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọai liên kết mạnh giữa các điện tử hóa trị và nguyên tử gốc của
chúng nhưng các điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ năng lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy các
liên kết đồng hóa trị và tạo ra các điện tử ở trạng thái tự do. Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di
chuyể
n của các điện tử là rất nhạy cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay
sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các
photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Ở nhiệt độ phòng, trong một cm
3
vật liệu
bán dẫn Si nguyên chất có khoảng
10
10 hạt tải điện tự do [free carrier]. Các điện tử tự do trong vật
liệu bán dẫn do bản chất tương tự như các hạt tải điện cơ bản. Cững tại nhiệt độ phòng, trong
một cm
3
vật liệu Ge nguyên chất có khoảng
13
105,2 x hạt tải điện tự do. Tỷ lệ về số lượng các

i
n [intrinsic carrier
density] (
3
cm
−
) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ như sau:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
kT
E
BTn
G
32
i
exp
cm
-6
(1.1)
trong đó:
G
E
là mức năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị đo là eV; k là hằng
số Boltzmann,

. Mặc dù
i
n
là một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộc
rất nhiều vào nhiệt độ đối với tất cả các vật liệu. Hình 1.4 chỉ rõ sự thay đổi mạnh của mật độ hạt
tải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức
(1.2) với
6330
cm.K1031,2
−−
= xB cho Ge và
6329
cm.K1027,1
−−
= xB cho GaAr.
Ví dụ 1.1: Hãy xác đinh giá trị của
i
n của Si ở nhiệt độ phòng (300K) ?

()
()
()
()
619
5
3
63312
i
cm/1052,4
K300K/eV1062,8

ở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ
13
10 nguyên tử Si, thì chỉ có một
mối liên kết bị bẻ gãy.
Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình
1.3. Khi một điện tử mang điện tích âm
C10602,1
19−
−= xq , di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa
trị, thì nó sẽ để lại một khoảng trống [vacancy] trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon
gốc. Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q . Một điện tử từ liên kết lân cận có thể
điền vào khoảng trống này và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình này làm
cho khoảng trống di chuyể
n qua khắp các mối liên kết trong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng
trống di chuyển giống như hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lổ trống [hole]. Mật độ
lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm
3
).
Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi liên kết bị bẽ gảy: một điện tử
và một lỗ trống, do đó đối với bán dẫn silicon nguyên chất ta có:
pnn
i
=
=
(1.2)

2
i
nnp =⇒
(1.3)

Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta phải xét độ linh động của
các hạt t
ải điện.
b) Độ linh động. [mobility]
Như trên đã xét, các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng của điện trường
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 6
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

đặt vào chất bán dẫn. Sự chuyển động này được gọi là sự trôi và tạo thành dòng điện chảy trong
chất bán dẫn được hiểu là dòng trôi. Các điện tích dương trôi cùng chiều với chiều của điện
trường, ngược lại các hạt mang điện tích âm trôi theo hướng ngược với chiều của điện trường.
Vận tốc trôi của các hạt tải điện v
r
(cm/s) tỷ lệ với điện trường
E
r
(V/cm); hằng số tỷ lệ được gọi
là độ linh động
µ
, ta có:
Ev
r
r
n
n
µ
−= và Ev
r
r

sat
v vào khoảng 10
7
cm/s, khi điện trường vượt quá
3x10
4
V/cm.
c) Điện trở suất của bán dẫn Si sạch.
Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo
một chiều để tránh ký hiệu véc tơ ở phương trình (1.4), ta có:
EqnEqnvQj
nnnn
drif
t
n
))((
µµ
=−−==

EqpEqpvQj
pppp
drift
p
))((
µµ
=++== A/cm
2
(1.6)
trong đó: )(
qnQ

-1
(1.8)
Đối với bán dẫn Si nguyên chất, thì mật độ điện tích của điện tử được cho bởi
i
qnQ −=
n
mặt
khác mật độ điện tích của các lổ trống là
ip
qnQ
+
=
.
Thay các giá trị của độ linh động của bán dẫn Si nguyên chất đã cho ở phương trình (1.5), ta có:
6101019
1096,2)500)(10()1350)(10)[(1060,1(
−−
=+= xx
σ
(Ω.cm)
-1

Từ định nghĩa điện trở suất
ρ
chính là nghịch đảo của điện dẫn suất
σ
, do vậy đối với bán dẫn
Si nguyên chất ta có:
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 7

nguyên tố thuộc nhóm V, có 5 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Các nguyên tố thường được sử
dụng nhất là Phosphorus, Arsenic và Antimony. Khi một nguyên tử donor thay thể một nguyên
tử Silicon trong mạng tinh thể như mô tả ở hình 1.5, thì 4 trong số 5 điện tử của lớp ngoài cùng
sẽ điền đầy vào cấu trúc liên kết đồng hóa trị với mạng tinh thể Silicon, điện tử thứ 5 liên kết
yếu với nguyên t
ử donor nên chỉ cần một năng lượng nhiệt rất bé nó dể trở thành điện tử tự do.
Như vậy, ở nhiệt độ phòng, chủ yếu một nguyên tử donor đóng góp một điện tử tự do cho quá
trình dẫn điện, do đó mỗi nguyên tử donor sẽ trở nên bị ion hóa vì đã mất một điện tử và sẽ
mang điện tích +q, tương
đương như một điện tích cố định, không dịch chuyển trong mạng tinh
thể.
* Các tạp chất Acceptor trong bán dẫn Si.
Các tạp chất Acceptor dùng để pha tạp vào bán dẫn Si được lấy từ các nguyên tố thuộc nhóm III,
nếu so sánh số điện tử ở lớp ngoài cùng, thì nguyên tử nhóm III ít hơn một điện tử. Nguyên tố
Boron là tạp chất chính thay thế nguyên tử Si ttong mạng tinh thể như hình 1.6(a)
. Do nguyên tử
Boron chỉ có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng nên sẽ tồn tại một khoảng trống trong cấu trúc liên kết.
Khoảng trống này dễ cho một điện tử bên cạnh di chuyển vào, tạo ra một khoảng trống khác
trong cấu trúc liên kết. Khoảng trống này được gọi là lổ trống có thể di chuyển qua khắp mạng
tinh thể như mô tả ở hình 1.6(b) và (c) và lổ trống có thể đơn gi
ản xem như một hạt tích điện có
điện tích +q. Mỗi nguyên tử tạp chất sẽ trở thành ion do nó nhận một điện tử có điện tích - q ,
không di chuyển trong mạng như ở hình 1.6(b).
b) Nồng độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn tạp.
Đối với bán dẫn tạp bao gồm cả tạp chất donor và acceptor thì việc tính nồng độ điện t
ử và lỗ
trống được xét như sau:
Trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp, nồng độ của điện tử và lỗ trống là rất chênh lệch. Nếu n
> p , thì vật liệu bán dẫn được gọi là bán dẫn tạp dạng n, và ngược lại nếu p > n, thì vật liệu
được gọi là bán dẫn tạp dạng p. Hạt tải điện có nồng

(1.3) là:
2
i
npn =
có thể hiểu một cách lý thuyết vẫn đúng đối với bán dẫn tạp ở điều kiện cân
bằng nhiệt và biểu thức (1.3) vẫn có giá trị cho một khoảng rất rộng của nồng độ pha tạp.
* Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng-n.
)(
A
D
N
N
>
Từ điều kiện
2
i
npn = suy ra p và thay vào (1.10), ta có phương trình bậc hai của n:
0)(
2
i
AD
2
=−−− nnNNn
giải phương trình trên ta có:
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 9
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 2

n −≈
. Công thức
(1.11) được dùng khi
A
D
N
N
>
.
* Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng-p.
)(
D
A
N
N
>
Đối với trường hợp khi
D
A
N
N
> , thay n vào (1.10) và giải phương trình bậc hai cho p ta có:

2
4)()(
2
iDADA
nNNNN
p
+−±−

> .
Do những hạn chế của việc điều chỉnh quá trình pha tạp trong thực tế, nên mật độ các tạp chất có
thể đưa vào mạng tinh thể Silicon chỉ trong khoảng xấp xỉ từ
14
10 đến
21
10 nguyên tử /cm
3
. Vì
vậy,
A
N
và
D
N
thường lớn hơn rất nhiều so với nồng độ các hạt tải điện cơ bản trong bán dẫn
Silicon ở nhiệt độ phòng.
Từ các biểu thức gần đúng trên, ta thấy rằng mật độ các hạt tải điện đa số được quyết định trực
tiếp bởi nồng độ tạp chất thực tế :

)(
D
A
N
N
p
−≈ đối với
D
A
N

phát sinh cặp điện tử-lỗ trống và sự điều chỉnh nồng độ các hạt tải điện bằng các tạp chất. Theo
cơ học lượng tử thì với cấu trúc tinh thể có tính trật tự cao của một nguyên tố bán dẫn sẽ hình
thành các khoảng lượng tử có tính chu kỳ ở các trạ
ng thái năng lượng cho phép và cấm của các
điện tử quay xung quanh các nguyên tử trong tinh thể.
Hình 1.7 mô tả cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn, trong đó vùng dẫn và vùng hóa trị
tượng trưng cho các trạng thái cho phép tồn tại của các điện tử. Mức năng lượng
V
E
tương ứng
với đỉnh của vùng hóa trị và tượng trưng cho mức năng lượng có thể cho phép cao nhất của một
điện tử hóa trị. Mức năng lượng
C
E
tương ứng với đáy của vùng dẫn và tượng trưng cho mức
năng lượng của các điện tử có thể có được thấp nhất trong vùng dẫn. Mặc dù, các dải năng lượng
mô tả ở hình 1.7, là liên tục nhưng thực tế, các vùng năng lượng bao gồm một số lượng rất lớn
các mức năng lượng rời rạc có khoảng cách sít nhau.
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 10
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Các điện tử không được phép nhận các giá trị năng lượng nằm giữa
C
E
và
V
E
. Sự chênh lệch
giữa hai mức

nhận được đủ năng lượng cần thiết vượt quá mức
năng lượng của độ rộng vùng cấm và sẽ nhảy từ
vùng hóa trị vào vùng dẫn, như mô tả
ở hình 1.9.
Mỗi điện tử nhãy qua vùng cấm sẽ tạo ra một cặp
điện tử - lỗ trống. Tình trạng phát sinh cặp điện tư
- lỗ trống này tương ứng trực tiếp với hình 1.3, ở
trên.
b) Mô hình vùng năng lượng đối với bán dẫn tạp.
Hình 1.10, và 1.12, là mô hình vùng năng lượng của vật liệu ngoại lai, đó là các nguyên tử donor
và / hoặc nguyên tử acceptor. Ở hình 1.10, nồng độ các nguyên tử
donor
D
N
đã được bổ sung
vào bán dẫn. Các điện tử dư ở các nguyên tử donor đưa vào bán dẫn Si sẽ được định vị trên các
mức năng lượng mới trong phạm vi vùng cấm tức là tại các mức năng lượng donor
D
E
gần với
đáy của vùng dẫn.
Giá trị của (
DC
E
E
− ) của nguyên tử
Phosphorus (P) vào khoảng 0,045 eV, do vậy
chỉ cần một năng lượng nhiệt rất nhỏ để đẩy các
điện tử dư từ vị trí donor vào vùng dẫn. Mật độ
các điện tử ở các trạng thái năng lượng trong

b) Các chất bán dẫn bù trừ.
Trạng thái của một bán dẫn bù trừ bao gồm cả hai loại tạp chất acceptor và donor được mô tả ở
hình 1.12 cho trường hợp mà trong đó có các nguyên tử donor nhiều hơn nguyên tử acceptor.
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 11
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Các điện tử sẽ tìm các trạng thái năng lượng thấp có sẵn và chúng sẽ rơi xuống từ các vị trí
donor để điền đầy toàn bộ vào các vị trí acceptor có sẵn. Nồng độ điện tử tự do còn lại cho bời
)(
A
D
N
N
n −=
.
1.6. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT TRONG BÁN DẪN TẠP.
Việc đưa các tạp chất vào một chất bán dẫn chẳng hạn như Silicon, thực sự làm giảm độ linh
động của các hạt tải điện trong vật liệu. Các nguyên tử tạp chất có sự khác nhẹ về kích thước so
với các nguyên tử Si mà chúng thay thế vì thế phá vở tính chu kỳ của mạng tinh thể. Ngoài ra,
các nguyên tử tạp chất là được ion hóa và tương ứng với các vùng điện tích được xác định mà
trong đó sẽ không có tinh thể gốc (Si).
Hai ảnh hưởng đó sẽ làm cho các điện tử và các lỗ trống phân tán khi chúng di chuyển trong bán
dẫn cũng như làm giảm độ linh động của các hạt tải điện trong tinh thể. Hình 1.13 cho biết sự
phụ thuộc của độ linh động vào tổng mật độ tạp chất pha tạp
)(
D
A
N
N

3
; v
41520
2
i
105102/10 xx
n
n
p ===
l trng/cm
3
. Bi vỡ,
n
> p nờn õy l bỏn dn Si tp dng n. T th hỡnh 1.13, ta cú linh ng ca
in t v l trng ng vi nng tp cht:
315
cm/102x
l:
V.s/cm1260
2
n
=
à
v V.s/cm460
2
p
=
à

dn in v in tr sut s l:

np
à
à
>> . Vỡ vy, nng cỏc ht ti in a s s iu chnh dn in ca vt liu:
)(
)(
DApp
ADnn
p- dỏựn baùn lióỷu vỏỷt vồùi õọỳi NNqpq
n-dỏựnbaùnlióỷuvỏỷ
t
vồùiõọỳi
N
N
qnq



àà
à
à

(1.14)
Vớ d 1.3: Mt mu vt liu Si tp dng n cú in tr sut 0,054 .cm. Bit mu Si ch
cú mt loi tp cht donor. Tớnh nng tp cht donor
D
N
?
Gii: i vi bi toỏn ny cn phi gii bng phng phỏp: th - sai lp li [iterative
trial-error]; õy l mt vớ d v mt kiu bi toỏn thng gp trong k thut.

N
.
2.
Tỡm
n
à
th ca linh ng
3.
Tớnh
D
n
N
à
.
4.
Nu
D
n
N
à
khụng chớnh xỏc, thỡ quay li bc 1.
D nhiờn, chỳng ta hy vng cú th tin hnh chn t n kt qu sau mt vi phộp th.
i vi bi tp ny ta cú:
120119
)V.s.cm(102,1)106,1054,0(

== xxx
q



17
710 7,1x10
19
4 5x10
17
440 2,2x10
20

5 4x10
17
470 1,9x10
20
6 2x10
17
580 1,2x10
20

Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 13
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Sau 6 lần thử lặp lại, ta tìm được
D
N
= 2x10
17
nguyên tử donor/cm
3
.
1.7 DÒNG KHUYẾCH TÁN VÀ DÒNG TỔNG.

+=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−−=
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−+=
x
n
qD
x
n
Dqj
x
p

D
q
kT
D
== (1.16)
Đai lượng (kT/ q = V
T
) được gọi là thế nhiệt V
T
, có giá trị xấp xỉ 0.025V ở nhiệt độ phòng.
Thông số V
T
thường được dùng trong các phần nội dung của môn học.
b) Dòng tổng.
Thông thường, dòng điện trong bán dẫn có hai thành phần: dòng trôi và dòng khuyếch tán. Mật
độ dòng trôi tổng của điện tử và lỗ trống
T
n
j
và
T
p
j
có thể được xác định bằng cách cộng các
thành phần dòng trôi và dòng khuyếch tán tương ứng của mỗi loại từ biểu thức (1.6) và (1.15), ta
có:
⎪
⎪
⎭
⎪

⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+=
x
p
p

Cấu kiện điện tử đơn giản nhất được gọi là diode. Diode bán dẫn được kết hợp bằng hai vật liệu
khác loại được gắn kết với nhau theo kiểu sao cho điện tích dễ dàng chả
y theo một chiều nhưng
sẽ bị ngăn cản theo chiều ngược lại.
Diode đã được phát minh bởi Henry Dunwoody vào năm 1906 khi ông đặt một mẫu
carborundum vào giữa hai vòng kẹp bằng đồng vào lò điện. Sau đó một vài năm, Greeleaf
Pickard đã phát minh bộ tách sóng vô tuyến tinh. Các nghiên cứu khác nhau được diễn ra trong
khoảng thời gian từ 1906 đến 1940 đã cho thấy rằng silicon và germanium là những loại vật liệu
rất tốt dùng để chế t
ạo các diode bán dẫn.
Nhiều vấn đề khó khăn đã được khắc phục về cấu trúc và công nghệ chế tạo các diode. Cho đến
những năm giữa thập niên 1950, các nhà chế tạo đã giải quyết được vấn đề khó khăn nhất. Trong
thời kỳ bùng nổ về công nghệ những năm cuối thập niên1950 và đầu thập niên 1960, công nghệ
bán dẫn đã đạt được thành tựu lớn đ
áng chú ý, do nhu cầu phải có các cấu kiện điện tử trọng
lượng nhẹ, kích thước nhỏ, và tiêu thụ mức nguồn thấp dùng cho việc phát triển tên lửa liên lục
địa và các tàu vũ trụ. Nhiệm vụ quan trọng đã được đặt ra trong việc chế tạo các cấu kiện bán
dẫn để có thể nhận được độ tin cậy cao trong các ứng dụng mà trong đó không thể thực hiện việc
bả
o dưỡng. Kết quả là đã phát triển cấu kiện bán dẫn rẽ hơn và độ tin cậy cao hơn so với các đèn
chân không.
Nội dung cơ bản của chương sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của diode bán
dẫn, loại cấu kiện hai điện cực, kích thước nhỏ, không tuyến tính (nghĩa là khi áp đặt tổng hai
mức điện áp sẽ tạo ra mức dòng đ
iện không bằng tổng của hai mức dòng riêng tạo thành). Diode
hoạt động tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào. Đặc tuyến không tuyến tính của diode là
lý do diode có trong nhiều mạch điện tử ứng dụng. Tiếp theo sẽ phân tích và khảo sát mạch
tương đương của diode tiếp giáp silicon, giải thích một số ứng dụng quan trọng của diode.
Diode zener cũng được giới thiệu và khảo sát việc sử dụng diode zener
để điều hòa điện áp,

(nguyên tử /cm
3
) và N
D
= 10
16
(nguyên tử/cm
3
) ở
vùng vật liệu n. Như vậy, các nồng độ điện tử và lỗ trống ở hai phía của tiếp giáp sẽ là:
Vùng bán dẫn tạp p có p
p
= 10
17
(lỗ trống/cm
3
) và n
p
≈ 10
3
(điện tử/cm
3
)
Vùng bán dẫn tạp n có p
n
≈ 10
4
(lỗ trống/cm
3
) và n

kh.taïn
n
qD
qD
−=
=
(2.1)
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
17
Thông thường, nếu quá trình khuyếch tán là liên tục và không suy giảm, thì sẽ dẫn đến sự đồng
nhất về nồng độ của các điện tử và lỗ trống trong toàn bộ vùng bán dẫn và sẽ không tồn tại tiếp
giáp pn. Nhưng do sự khuyếch tán của các hạt mang điện tích, mà hình thành hai vùng điện tích
trái dấu bởi các ion, nên có một quá trình bù trừ khác được thiết lập để cân bằng với dòng
khuyếch tán, đó là dòng trôi, phát sinh t
ừ vùng lân cận lớp tiếp giáp như mô tả ở hình 2.3.
Khi các lỗ trống di chuyển ra khỏi vùng vật liệu bán dẫn p sẽ để lại các ion của nguyên tử
acceptor mang điện tích âm, không di chuyển. Tương tự, các điện tử khi di chuyển ra khỏi vùng
vật liệu bán dẫn n sẽ để lại các nguyên tử donor đã bị ion hóa không di chuyển, mang điện tích
dương, nghĩa là ngay lập tức sẽ hình thành mộ
t vùng điện tích trái dấu hay một lớp mõng các ion
không trung hoà, xung quanh tiếp giáp, vì rất ít các hạt tải điện tự do trong vùng này, nên được
gọi là vùng điện tích không gian [SCR] hay gọi đơn giản là vùng nghèo.
Hình 2.4a, cho thấy sự phân bố điện tích ở tiếp giáp. Mật độ điện tích trong vùng điện tích
không gian sẽ bằng tích của nồng độ tạp chất và điện tích của mỗi ion.
Sự trung hoà về
điện tích ở hai phía tiếp giáp pn đòi hỏi diện tích của hai hình chữ nhật phải
bằng nhau. Với các mức pha tạp đã cho ở trên, do acceptor có mật độ cao hơn, nên lớp điện tích
không gian âm mõng hơn so với vùng điện tích không gian dương.

khi
p
xx −= , nên tính tích phân phương trình (2.2) theo vùng điện tích không gian có mật độ
điện tích
A
q
N
Q −= :
0.x )x(
q
pp
s
A
x
p
x
s
<<−+
ε
−
=
ε
=
∫
−
xx
N
dx
Q
E

N
E (2.4)
T (2.3) & (2.4) ta thy rng, cng in trng ti im tip
giỏp (
x = 0) phi cú giỏ tr ln nht nờn c v nh hỡnh 2.4b,.
in trng phi liờn tc ti
x = 0, nờn ta cú:
nDpA
xx
N
N
=
(2.5)
Phng trỡnh (2.5) chng t rng, vựng in tớch khụng gian s
m rng v phớa cú mc pha tp loóng hn. in trng c
hỡnh thnh do vựng in tớch khụng gian s "quột" cỏc ht ti
in ra khi vựng in tớch khụng gian, kt qu l cú mt dũng
trụi ca in t v l trng, t phng trỡnh (1.12) v (1.13):
E
p
J

E
n
J
p0
t
rọi
pn0
t

n, tc l:
0qqD
n0
0
n
trọi
n
kh.taùn
nn
=à+=+= En
dx
dn
JJJ
(2.7)
Cú th lp lun tng t ỏp dng cho cỏc l trng cú
J
p
.
Trong phm vi vựng in tớch khụng gian, mt s lng ln cỏc ht ti di dng chuyn ng.
S phõn b ht ti l dũng khuych tỏn cao s trit tiờu ngay dũng trụi cao c to ra bi in
trng thit lp ti thi im cõn bng. S cõn bng ca cỏc dũng trụi v khuych tỏn cú th b
xỏo trn khi ỏp t in th ngoi vo tip giỏp.Thc t cho thy r
ng cỏc trng thỏi nng lng
ca dói dn (v dói hoỏ tr) cú giỏ tr cao hn vt liu bỏn dn
p so vi cỏc trng thỏi nng
lng vt liu bỏn dn
n. Nng lng trung bỡnh ca cỏc in t t do vựng p l gn vi dói
hoỏ tr hn do cỏc trng thỏi acceptor, ngc li vt liu bỏn dn
n nng lng trung bỡnh ca
cỏc in t t do l gn vi dói dn hn do cú nhiu in t cỏc trng thỏi donor. Tuy nhiờn,

s
D
0
p
x
p
s
A
n
x
p
x
NNdxx
N
dxx
N
EdxV +

=++

==



(2.8)
trng thỏi cõn bng, õy chớnh l th tip xỳc
B

[Built-in potential] (hay cũn gi l
j

(2.10)
Lấy tích phân ngang qua vùng điện tích không gian, ta có:
∫∫
−
−=
n
x
p
x
no
po
0
0
T
Edx
n
dn
V
n
n
(2.11)
trong đó:
n
no
là nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng ở phía bán dẫn n, và n
po
là nồng độ điện tử
cân bằng ở phía bán dẫn
p. Số hạng tích phân phía trái chính là thế tiếp xúc
B

thiết lập các mức thế tiếp xúc khi chế tạo tiếp giáp bán dẫn. Bằng cách kết hợp các phương trình
(2.6) và (2.8), ta có thể xác định độ rộng của các lớp điện tích không gian:
1/2
A
2
D
D
Bs
n0
2
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞

⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
φε
=
N
N
Nq
x
(2.14)
Tổng độ rộng vùng điện tích không gian của tiếp giáp
pn ở trạng thái cân bằng:
1/2
DA
DABs
p0n0d0
q
)( 2

NNq
E
(2.16)

Ví dụ 2.1:
Một tiếp giáp pn được chế tạo bằng cách pha tạp vào mẫu tinh thể Si có:
N N
33
donor/cm nguyãn t
æ
ív
a
ìmacceptor/c nguyãn t
æ
í
16
D
17
A
1010 == , tại nhiệt độ T = 300K.
Tính thế tiếp xúc của tiếp giáp và độ dày của lớp điện tích không gian
x
p
và x
n
.
Giải:
3
/cmâiãûn t
æ

i
DA
TB
7480, =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
n
NN
V
φ
.
Thay giá trị của thế tiếp xúc vào phương trình (2.14),
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

×== 297,x
N
N
x

Từ phương trình (2.14), có thể có ba loại tiếp giáp pn được chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau,
với mật độ điện tích biểu diễn như ở hình 2.5:
- Tiếp giáp đối xứng:
n0p0DA
x
x
N
N
=
⇒= .
- Tiếp giáp bất đối xứng:
n0p0DA
x
x
N
N
<
⇒>
.
- Tiếp giáp bất đối xứng lớn, tức là tiếp giáp p
+
n:
D
1/2
D

⎢
⎣
⎡
ε
φ
≈ (2.18)
Phía bán dẫn được pha tạp loãng sẽ quyết định các đặc tính tĩnh điện của tiếp giáp pn.
Giá trị thế tiếp xúc tồn tại khi có tiếp giáp pn như đã xét ở trên, nhưng trong thực tế không thể
đo được bằng voltmeter do các thành phần thế tiếp xúc tại các tiếp giáp bán dẫn - kim loại. Các
tiếp xúc bán dẫn - kim loại là các tiếp giáp củ
a các vật liệu không đồng nhất, nên sẽ có các thành
phần thế tiếp xúc là:
mpmn
,φφ được xác định như ở hình 2.6. Do sự chênh lệch điện thế ngang
qua cấu trúc của diode phải bằng 0, nên trong thực tế không thể đo được thành phần thế tiếp giáp
B
φ trên hai đầu của diode bằng voltmeter !.
mpmnB
φ
+
φ
=
φ
(2.19)

Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
21
2.2 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI PHÂN CỰC.

DBDB
<
φ
>
−
φ
V
V

Các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo của tiếp giáp pn ở trạng thái phân cực có thể mô tả như
ở hình 2.9.
Khi phân cực thuận: thế tiếp xúc giảm, tức
E giảm nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo
d
x hẹp
lại. Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức
E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo
d
x tăng lên.
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
22
Hai vùng điện tích của vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh thế hiệu đặt trên tiếp giáp. Vì vậy,
các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo khi phân cực tương tự như các đặc trưng tĩnh điện của
vùng nghèo ở trạng thái cân bằng nếu thay thế
B
φ
bằng
DB

)(
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−φε
=
NNN
NV
Vx
(2.20)
1/2
DA
DADBs
Dd
q
))((2
)(
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−φε
=
NN

xVx

B
D
p0Dp
1 )(
φ
−=
V
xVx
(2.23)
B
D
d0Dd
1 )(
φ
−=
V
xVx
(2.24)
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
23
B
D
0D
1 )(
φ
−=

rộng ra hay co hẹp lại, và cho dòng điện chỉnh lưu, ngoài ra cũng có sự lưu trữ điện tích của hạt
tải điện.
Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, có sự cân bằng động giữa dòng trôi và dòng
khuyếch tán của điện t
ử và lỗ trống:
kh.taïnträi
J
J
= .
Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân cực
thuận
0)(
D
>V
, rào thế tiếp giáp sẽ giảm,
↓−φ
)(
DB
V
, nên sẽ làm cho điện trường qua vùng
nghèo giảm,
↓
SCR
E
, và dòng trôi giảm xuống, ↓
träi
J
. Sự cân bằng giữa hai thành phần dòng
qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là:
kh.taïnträi

trung hoà, nên có sự sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số trong hai vùng trung hoà. Có rất ít hạt
tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà nên chi cho một dòng điện nhỏ.
Do đó, khi phân cực thuận cho diode tiếp giáp
pn thì các hạt tải điện thiểu số phóng thích sẽ
khuyếch tán qua vùng trung hoà, tạo ra sự tái hợp tại bề mặt bán dẫn. Khi phân cực ngược, các
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
24
hạt tải điện thiểu số rút ra khỏi vùng nghèo, tạo ra sự tái sinh tại bề mặt và khuyếch tán qua vùng
trung hoà.Vậy khi phân cực thuận sẽ có dòng điên lớn do khuyếch tán các hạt tải điện đa số; còn
khi phân cực ngược sẽ có dòng trôi nhỏ do các hạt tải điện thiểu số như thể hiện ở hình 2.13.
Để có độ lớn của dòng điện chảy qua diode, cần phải tính n
ồng độ các hạt tải điện thiểu số tại
hai biên vùng nghèo là
p(x
n
) và n(- x
p
), và tính dòng khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số
trong mỗi vùng trung hoà là
I
n
và I
p
, sau đó tính tổng dòng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống,
pn
I
I
I

kT
)q(
exp
kT
)]x(-)(xq[
exp
)x(
)(x
DB
pn
p
n
V
p
p
−φ−
=
−
φ
φ
−
≈
−

Nhưng nồng độ điện tử và lỗ trống ngay tại hai biên xấp xỉ bằng nồng độ pha tạp, được gọi là
xấp xỉ
phóng thích mức thấp:
Dn
)(x
N

V
Np
(2.30)
Với giá trị thế tiếp xúc là:
2
i
AD
B
n
ln
q
kT
N
N
=φ
thay vào phương trình
)(-x
p
n
và
)(x
n
p
, sẽ nhận được nồng độ hạt tải điện thiểu số tại hai biên
Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark.

Trích đoạn Điện dung của diode

---