1-5 Chuyển tiếp PNKhi ta ghép một bán dẫn loại N và một bán dẫn loại P, vùng tiếp giáp của hai bán dẫn được gọi là chuyển tiếp PN. Vùng này là thành phần cơ bản của hầu hết các linh kiện điện tử bán dẫn. Thật ra, để tạo được chuyển tiếp PN, không chỉ đơn giản là đặt hai bán dẫn cạnh nhau. Trong thực tế, người ta tạo ra chuyển tiếp PN bằng cách tạo ra một sự chuyển dần mật độ hạt dẫn trong cùng một tinh thể bán dẫn.
Giả sử là khối bán dẫn loại P phía tay trái đột ngột được ghép với khối bán dẫn loại N phía tay phải như trong hình 1-8(a). Trong phần trước, ta đã biết rằng lỗ trống là hạt dẫn đa số trong bán dẫn loại P và electron tự do là hạt dẫn đa số trong bán dẫn loại N. Hai bán dẫn này đều trung hòa về điện. Do sự chênh lệch về mật độ hạt dẫn nên dòng khuếch tán xuất hiện. Các electron tự do trong N khuếch tán sang P và các lỗ trống trong P khuếch tán sang N.
Khi một electron rời bỏ miền N để đi vào miền P, nó để lại bên phía N một ion donor mang điện tích dương, khi một lỗ trống rời bỏ miền P để đi vào miền N, nó để lại bên phía P một ion acceptor mang điện tích âm. Quá trình này xảy ra tức thời và liên tục ngay sau khi ghép bán dẫn loại N với bán dẫn loại P làm cho vùng hai bên tiếp giáp mang các điện tích trái dấu, bên N mang điện tích dương và bên P mang điện tích âm. Vùng điện tích này được gọi là điện tích không gian (space charge).
Việc tập trung điện tích trái dấu ở hai bên chuyển tiếp làm xuất hiện một điện trường được gọi là điện trường tiếp xúc. Chiều của điện trường này là từ N sang P. Hình 1-9 minh họa việc phát sinh điện trường [SUB]
[/SUB] ngang qua chuyển tiếp PN.
Cần phải lưu ý là hướng của điện trường lúc này là cùng chiều với dòng electron từ N sang P và ngược chiều với dòng lỗ trống từ P sang N. Chính vì vậy, dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số bị ngăn cản bởi điện trường [SUB]
[/SUB]. Thêm vào đó, điện trường này còn gây ra một dòng điện trôi cùng chiều với nó, từ P sang N. Dòng điện trôi này được tạo thành từ dòng electron từ P chạy sang N và dòng lỗ trống từ N chạy sang P. Vì các hạt dẫn này là các hạt dẫn thiểu số, nên dòng trôi thường có biên độ rất nhỏ so với dòng khuếch tán. Dòng này được gọi là dòng ngược. Ở trạng thái cân bằng (khi không chịu tác động của điện trường ngoài), vì điện trường [SUB]
[/SUB] ngăn cản dòng trôi và tạo ra dòng khuếch tán nên dòng trôi bằng với dòng khuếch tán và dòng tổng cộng qua chuyển tiếp PN là bằng 0.
Trong vùng điện tích ở hai bên chuyển tiếp, mật độ hạt dẫn rất thấp do các hạt dẫn trong vùng này đều tức thời bị khuếch tán hoặc trôi sang vùng đối diện dưới tác động của điện trường. Vùng này được gọi là vùng nghèo (depletion region). Bề rộng vùng nghèo phụ thuộc vào nồng độ tạp chất pha vào trong bán dẫn loại N và loại P. Vùng nghèo sẽ mở rộng về phía có nồng độ tạp chất thấp hơn.
Điện trường trong hình 1-9 là kết quả của một hiệu điện thế tồn tại ở hai bên chuyển tiếp. Hiệu điện thế này được gọi là hiệu điện thế hàng rào (barrier). Giá trị của hiệu điện thế hàng rào, ký hiệu [SUB]
[/SUB] hoặc [SUB]
[/SUB], bị phụ thuộc vào mức độ pha tạp chất, loại vật liệu và nhiệt độ. Biểu thức 1-10 cho thấy công thức xác định hiệu điện thế hàng rào:
[SUB]
[/SUB] (1-10)
với [SUB]
[/SUB] hiệu điện thế hàng rào, volts
[SUB]
[/SUB] hằng số Boltzmann = [SUB]
[/SUB]
[SUB]
[/SUB] nhiệt độ tuyệt đối, K
[SUB]
[/SUB] đơn vị điện tích = [SUB]
[/SUB]
[SUB]
[/SUB] nồng độ tạp chất acceptor trong bán dẫn loại P
[SUB]
[/SUB] nồng độ tạp chất donor trong bán dẫn loại N
[SUB]
[/SUB] mật độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần
Chú ý rằng hiệu điện thế hàng rào tỉ lệ thuận với nhiệt độ, và như chúng ta sẽ thấy ở các phần sau, nhiệt độ đóng một vai trò rất quan trọng trong các linh kiện bán dẫn. Để thể hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thế vào nhiệt độ, người ta đưa ra khái niệm điện thế nhiệt:
[SUB]
[/SUB] (1-11)
Thay vào biểu thức 1-10, ta có
[SUB]
[/SUB] (1-12)
Ví dụ 1-5
Một chuyển tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn loại P có [SUB]
[/SUB] acceptor/m[SUP]3[/SUP] và bán dẫn loại N có [SUB]
[/SUB] donor/m[SUP]3[/SUP]. Tìm điện thế nhiệt và điện thế hàng rào tại [SUB]
[/SUB].
Hướng dẫn
[SUB]
[/SUB]. Từ biểu thức 1-11,
[SUB]
[/SUB]
Từ biểu thức 1-12:
[SUB]
[/SUB]
1-6 Phân cực chuyển tiếp PN
Trong lý thuyết về mạch điện tử, từ “phân cực” nhằm chỉ điện áp dc hoặc dòng điện dc trong linh kiện. Dòng điện hoặc điện áp dc này được duy trì bằng một nguồn dc nối với linh kiện thông qua một mạch phân cực. Chuyển tiếp PN có thể được phân cực bằng cách dùng một nguồn điện áp đặt lên hai đầu của chuyển tiếp.
Trong phần 1-5 ta đã thấy rằng trong chuyển tiếp PN tồn tại một điện trường có tác dụng ngăn cản dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số và sinh ra dòng trôi của hạt dẫn thiểu số. Khi nguồn dc được đặt lên chuyển tiếp PN, nó có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với điện trường tiếp xúc. Hình 1-10 cho thấy một cách đặt nguồn điện áp lên chuyển tiếp PN. Trong hình này, cực dương của nguồn được nối với P và cực âm của nguồn được nối với N. Với chiều của điện áp như hình 1-10 thì điện trường do nguồn ngoài gây ra là ngược chiều với điện trường tiếp xúc. Lúc này điện thế hàng rào giảm xuống và dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số tăng lên. Cách phân cực này được gọi là phân cực thuận chuyển tiếp PN.
Khi chuyển tiếp PN được phân cực thuận, điện thế hàng rào giảm xuống, do đó số lượng các ion acceptor và donor ở hai bên chuyển tiếp cũng giảm xuống. Kết quả là bề rộng vùng nghèo bị thu hẹp.