LÊ XUÂN THÊ

DỤNG CỤ BÂN DẪN
VÀ VI MẠCH
■

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC





Phần 1
DỤNG CỤ BÁN DẪN

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CHƯƠNG 1
A - Công thoát nhiệt ; hằng số.
B - Độ cảm ứng từ.
b = |aj,/|u,p - Tỷ số độ linh động của điện tử và độ linh động của lỗ trống.
C3 , Cy - Điện dung lớp chuyển tiếp p - n, điện dung của Varicap.
, Dp - Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống..
d - Độ rộng lớp chuyển tiếp p - n.
E —Điện trường.
- Mức tạp chất axepto và đôno.
E^, E y , E p -M ứ c năng lưọfng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hoá trị, mức Fecmi.
Epi, Ep , Ep - Mức Fecmi ở bán dẫn không tạp, bán dẫn loại n, loại p.
AE - Độ rộng vùng cấm.
g - Tốc độ sinh hạt tải điện,
ệ - Cường độ bức xạ.
f - Tần số.

s - Diện tích.
T - Nhiệt độ tuyệt đối ; chu kỳ dao động,
t - Thời gian,
u - Điện áp.
V,

- Điện thế, điện thế thuận, điện thế ngược và điện thế đánh thủng.

V - Vận tốc.
a - Hê số truyền dòng điện,
ß - Hệ số khuếch đại dòng,
y - Độ dẫn điện.
-

Hằng số điện inổi của chân không,

s - Hằng số điện môi.
0 - Thời gian rơ lắc.
cp- Tliế tĩnh điện.
(P|^ - Hiệu thế tiếp xúc.
ẹ-ỵ - Thế nhiệt,
co - Tần số góc.
ịo,^, I^p - Độ linh động của điện tử và lỗ trống.
Ç - Điện trở suất,
ơ - Độ dẫn riêng.
, Tp - Tliời gian sống của điện tử và lỗ trống.


C hương 1



Hình 1.5 : Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất In.

Mức tạp chất của lỗ trống là
axeptor (mức nhận). Vì AE^ «

nằm trong vùng cấm và gần với đỉnh vùng hoá trị gọi là
AEnên ở nhiệt độ phòng các điện tử trong vùng hoá trị sẽ

dễ dàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức E ạ, để lại hàng loạt lỗ trống trong vùng hoá trị.
(Nguyên tử In được điện tử nhảy lên chiếm lỗ trống tạo nên ion âm).
11


Số lỗ trống này rất lớn hơn số điện tử dẫn tạo nên do quá trình phát sinh hạt tải điện. Vì
vậy độ dẫn của bán dẫn này là dẫn lỗ trống. Lỗ trống là hạt tải cơ bản. Bán dẫn được gọi là
bán dẫn loại p.
Mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p được xác định :

(1- 10)

pp = " i e - ~ Từ đó ta tính được mức F ecm i:
Ep = Ep - kT In
M

Pd
n

Như vậy mức Fecmi trong bán dẫn loại p lại dịch xuống về phía đỉnh vùng hoá trị.
Độ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạp càng cao (có thể nằm trong vùng hoá trị như ở


Jn.Kt “

dx

dx

= -qpD p

= qnDn

dp
dx

dx

( 1- 12)

(1 -1 3 )

jpj^(: Dòng lỗ trống khuếch tán ;
f : Dòng điện tử khuếch tán ;
D„, D p: Hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống.

Jki

Ecn

Epn


n : Mật độ điện tử.
Mật độ dòng tổng cộng đi qua miền chuyển tiếp p - n là tổng dòng khuếch tán cộng
dòng cuốn. Khi không có trường ngoài tổng này bằng 0. Vì khi gặp nhau chúng tái hợp
trong miền chuyển tiếp p - n. Vậy trongtrạng tháicân bằng nhiệt động ;
iiổng = -qpDp ^

+ qpPl^pE + q„D„ ^

+ qnH^nE = 0

(1 -16 )

Khi có bán dẫn loại p đặt tiếp xúc với bán dẫn loại n thì tai chỗ tiếp xúc xuất hiện hàng
rào thế tiếp xúc cpị^ .
= (Pt- In

(1-17 )
Pn

kT
(Pt- = — = thế nhiệt (T = 300K thì (Pt =0,026 V)
n„, Rp : Mật độ điện tử trong bán dẫn n và p
Pp, p„ : Mật độ lỗ trống trong bán dẫn p và n

(ở chuyển tiếp loại Ge : (Pj^ = (0,3 -r 0 ,4)V
Si : (Pk = ( 0 ,7 ^ 0 ,8 ) V
Như vậy khi không có trường ngoài đặt vào thì ở chỗ chuyển tiếp p - n có sự cân bằng
nhiệt động. Lúc đó mức Fecmi ở hai loại bán dẫn nằm ngang nhau (hình1.7).

14


k
i

ĩ
E
Ecp
E cn

Ef
Evp

v,h

Epn

I-I'

-^X

■vn

b)

Hình 1.8 : Hàng rào thế và giản đồ năng lượng của chuyển tiếp p - n
khí phân cực ngược (a) và phân cực thuận (b).
Vng.đth

16


Điều đó thể hiện trên hình 1.9a.
1.3.2. Phân cực thuận
Khi mắc Vjj, có cực dương vào bán dẫn p và cực âm vào bán dẫn n. Miền nghèo của lớp
chuyển tiếp p - n hẹp lại, độ dẫn của nó tăng lên. Vì dưới tác dụng của V((, các điện tử e sẽ
chuyển động về phía p còn lỗ trống chuyển động về phía n. Vịf, đặt vào ỉàm cho hàng rào
thế hạ xuống một lượng Vịị, (hình 1.8b) và tạo điều kiện cho sự phun hạt tải cơ bản lỗ trống
từ p sang n và e từ n sang p. Khi đó qua lớp chuyển tiếp p - n sẽ có dòngthuận lớn

đó là

dòng các hạt cơ bản đi qua. Hàng rào thế càng hạ thấp thìdòng thuận tiếp tục tăngtrong
khi giá trị dòng cuốn ngược không đổi.
Khi chế tạo người ta thường tạo nên mật độ hạt loại p lớn hơn 2 -r 3 lần loại n (hoặc
ngược lại). Miền mật độ hạt cao, trỏf nhỏ, sẽ phun hạt tải qua lớp chuyển tiếp mạnh dùng
làm emitơ. Miền mật độ thấp, trở cao dùng làm'bazơ.
Dòng thuận gồm lỗ trống và điện tử ;

I* = I p + l n

- 1^

( 1- 2 0 )

Đặc trưng V - A khi phân cực thuận trên hình 1.9b.
Khi Vjj, tăng thì
2-VI MẠCH

tăng theo hàm exp.
17


Phuofng trình Poisson ở đây là :
x^>x>0 ^

-x „


"

dx

eSo

Từ đó lấy tích phân ta được :
-qNd

_

r
2

''à

- -q ^ d
£00
-q N j
2 ee 0

q>i

qNj

p

Ể.
2

d =

Vì

Ì^Í

gian d «

^

và nếu Ng »

N j thì

»

Xp và độ rộng của vùng điện tích không

nghĩa là miền điện tích không gian nằm chủ yếu bên bán dẫn có mật độ tạp

chất nhỏ (cũng có trưcmg hợp đặc biệt khi người ta tạo nên lớp chuyển tiếp có mật độ tạp
chất từ p sang n biến đổi tuyến tính theo quy lu ậ t:

N d ( x ) - N a ( x ) = ax
a : gradian mật độ tạp chất.
(1-2 5 )

Khi đó độ rộng vùng chuyển tiếp : d = 2

Khi đặt điện áp ngoài vào chuyển tiếp p - n thì điện áp sụt hầu hết ở lớp chuyển tiếp có

(Dt^
(( 9
k -—V
V Ì)

(l-2 6 b )

q
Điện áp thuận V càng tăng thì độ rộng vùng
chuyển tiếp càng giảm.
Nếu phân cực ngược : Điện áp ngoài cùng

p

' 1 í ---- '

■ Epn

n

1

4-

1i /*l 1i

—

dấu với Ọị^ vì vậy chiều cao hàng rào thế tăng, độ
rộng d cũng tăng lên (hình 1. 11 ).


c. =s

Thay d vào ta có điện dung của lớp chuyển tiếp đối xứng :
Na

C3=s

Nd

(l-2 7 a )

Với chuyển tiếp không đối xứng :

Ca=s

eso
^

2

q
(c P k - V )

(l-2 7 b )

Điện dung tăng khi mật độ tạp chất tăng. Công thức (l-2 7 b ) được sử dụng để xác định
mật độ tạp chất

bằng thực nghiệm đo sự phụ thuộc :

r -g =

p n -n f
(n + p - 2 n¡)x¡

(1-28)

n¡ : Mật độ điện tử của lớp kim loại ;
p, n : Mật độ lỗ trống và điện tử trong
bán dẫn không suy biến ;
Tj : Thời

gian số n g của các hạt tải điện ;

r : Tốc độ tái hợp ;
g : Tốc độ sinh ra hạt tải.
ở đây mật độ điện tử và lỗ trống phun qua miền

Hình 1,12 : cấu trúc p - i - n. sự phân
bô' mật độ hạt tải và giản đổ
năng lượng của nó.

i để trung hoà là bằng nhau nên ti| ' = Pị ' vậy :
r - g = (iij - r i ị )

(1-29)

2T;

Nhân tốc độ tái hợp trong lớp i với điện tích điện tử ta nhận được dòng tái hợp :

Pi ’ = Pi exp

_qV
2kT

ri| ' = riị e x p

^_qV^
^ 2 kT

Vì vậy :

(1-32)

Đặt vào biểu thức 1^ dòng tái hợp :
exp ^-zr - 11
2kT

(1-33)

_ qStiidi

Trong đó :

■ồ

2 tì

Khi dòng nhỏ điện áp trên chuyển tiếp V nhỏ so với điện thế bên ngoài.
Khi dòng lớn điện tử của bazơ giảm nhiểu do sự phun hạt tải và sự phụ thuộc vào dòng

điốt.

Hình 1.13 : Các dạng đánh thủng
lớp chuyển tiếp p - n.
a) Đánh thủng thác lũ :
b) Đánh thủng Tunel:
c) Đánh thủng nhiệt.

1. 6.1. Đánh thủng thác lũ
Vì phân cực ngược lớn độ rộng chuyển tiếp d tăng. Nếu chiều rộng miền điện tích
không gian của lớp chuyển tiếp d > 1 (quãng đưcmg tự do của các hạt tải điện) thì các hạt
tải không cơ bản trong điện trường của chuyển tiếp khi phân cực ngược có thể đạt được
23


tốc độ ion hoá mạng tinh thể tạo nên các cặp điện tử lỗ trống. Các hạttải này lạitham gỉa
quá trình ion hoá tiếp tục. Tốc độ tăng dòng này có tính thác lũ.
Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào hệ số va chạm ion hoá của e và lỗ trống. Để đơn giản
ta coi như độ tăng dòng của 2 loại hạt này bằng nhau.
Ví dụ ; Ta nghiên cứu với chuyển tiếp p - n không đối xứngn„ »

Pp. Trườnghợp này

dòrtg ngược cơ bản là dòng e dịch chuyển từ p -> n (hình 1.14).
- Gọi Xi (E) là số cặp điện tử và lỗ trống tạo nên bởi các hạt tải điện trên ỉ cm đường
đi ở điện trường cho trước.
- Gọi số điện tử đi qua lớp chuyển tiếp p - n là Hq. Khi có 1 điện tử e va chạm gây ion
hoá sẽ tạo nên 1 điện tử và 1 lỗ trống, điện tử này sẽ tham gia ion hoá tiếp theo.
- Giả sử iij là số điện tử tạo nên trên đoạn X (kể từ miền p).


24