1-3-3 Dòng khuếch tánTrong bán dẫn còn có một dạng dòng điện khác bên cạnh dòng trôi. Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt dẫn thì các hạt dẫn sẽ có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi có mật độ hạt dẫn thấp hơn nhằm cân bằng mật độ hạt dẫn. Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn. Dòng điện này được gọi là dòng khuếch tán (diffusion current). Dòng khuếch tán có tính chất quá độ (thời gian tồn tại ngắn) trừ khi sự chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn.
1-4 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P
Trong phần trước ta đã biết bán dẫn thuần hay còn gọi là bán dẫn nội tại (intrinsic semiconductor) có mật độ electron tự do bằng với mật độ lỗ trống. Trong quá trình chế tạo các vật liệu bán dẫn được dùng trong các ứng dụng thực tế, sự cân bằng này sẽ bị thay đổi. Người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống hoặc vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron tự do. Các vật liệu bán dẫn này được gọi là bán dẫn có pha tạp chất. Bán dẫn mà electron tự do chi phối được gọi là bán dẫn loại N, và ngược lại, bán dẫn trong đó lỗ trống chi phối chủ yếu được gọi là bán dẫn loại P.
Trước tiên ta xem xét cách thức tạo ra bán dẫn loại N. Giả sử ta có thể đặt vào bên trong cấu trúc tinh thể một nguyên tử có năm electron lớp ngoài cùng thay vì bốn. Nguyên tử này vẫn sẽ dùng bốn electron lớp ngoài cùng của nó để tạo liên kết hóa trị như thông thường. Vì vậy nguyên tử tạp chất trở thành một phần trong cấu trúc tinh thể. Tuy nhiên, electron thứ năm không tạo được liên kết nên nó có liên kết rất yếu với hạt nhân nguyên tử. Hình 1-6 trình bày cấu trúc tinh thể bán dẫn có pha tạp chất. Nguyên tử tạp chất lúc này được gọi là nguyên tử tạp chất cho (donor). Khi đưa vào bán dẫn một số lượng lớn nguyên tử tạp chất, một số lượng lớn electron dư thừa cũng được tạo ra. Các vật liệu được sử dụng như tạp chất cho donor thông thường là antimony, arsenic, phosphorus.
Quá trình pha tạp chất vào bán dẫn thuần được gọi là quá trình kích thích (doping). Bán dẫn thuần được nói là bị kích thích (doped) bằng nguyên tử tạp chất và bán dẫn đã pha tạp chất được gọi là bán dẫn không thuần (dopant). Vật liệu Si trong hình 1-6 bị kích thích (doped) với nguyên tử donor, do đó nó chứa các electron dư thừa. Vì các electron này có liên kết rất yếu với hạt nhân nên chỉ cần một năng lượng rất nhỏ thì electron này đã có thể trở thành electron tự do trong vùng dẫn và nguyên tử tạp chất trở thành một ion dương. Trong các tính toán sau, ta luôn giả sử là tất cả các nguyên tử tạp chất đều bị ion hóa trở thành ion dương. Cần phải lưu ý là toàn bộ bán dẫn lúc này vẫn trung hòa về điện, điều này là do bản thân bán dẫn thuần và tạp chất pha vào đều trung hòa về điện, do đó khi pha tạp chất vào thì bán dẫn có pha tạp chất vẫn trung hòa về điện.
Bán dẫn loại P được tạo ra bằng cách đưa một tạp chất chỉ có ba electron lớp ngoài cùng vào bán dẫn thuần. Lúc này, trong cấu trúc tinh thể bán dẫn xảy ra sự thiếu electron vì nguyên tử tạp chất chỉ có thể dùng ba electron lớp ngoài cùng để tạo liên kết hóa trị. Nói cách khác, bên trong bán dẫn xuất hiện thêm lỗ trống. Nguyên tử tạp chất được gọi là tạp chất nhận (acceptor). Hình 1-7 cho thấy một nguyên tử acceptor trong cấu trúc tinh thể bán dẫn Si. Vật liệu thường được dùng làm tạp chất trong trường hợp này là aluminum, boron, gallium, indium.
Trong vật liệu bán dẫn loại N, mặc dù số lượng electron tự do nhiều hơn hẳn so với lỗ trống nhưng lỗ trống vẫn tồn tại trong bán dẫn. Sự chi phối của electron tự do đối với mật độ hạt dẫn phụ thuộc vào lượng tạp chất pha vào bán dẫn. Lượng tạp chất donor càng lớn, mật độ electron tự do càng cao và càng chiếm ưu thế so với lượng lỗ trống. Do đó, trong bán dẫn loại N, electron tự do được gọi là hạt dẫn đa số (hoặc hạt dẫn chủ yếu), lỗ trống được gọi là hạt dẫn thiểu số (hoặc hạt dẫn thứ yếu).
Một mối quan hệ quan trọng giữa mật độ electron và mật độ lỗ trống trong hầu hết các bán dẫn trong thực tế là
[SUB]
[/SUB] (1-8)
với [SUB]
[/SUB] mật độ electron
[SUB]
[/SUB] mật độ lỗ trống
[SUB]
[/SUB] mật độ electron trong bán dẫn thuần
Tất cả các biểu thức đã thảo luận liên quan đến độ linh động, độ dẫn điện và mật độ dòng điện là đúng đối với bán dẫn thuần cũng như bán dẫn pha tạp chất. Mật độ hạt dẫn trong các tính toán thường được xác định bởi biểu thức 1-8.
Ví dụ 1-4
Một thanh silicon có mật độ electron trong bán dẫn thuần là [SUB]
[/SUB] electron/m[SUP]3[/SUP] bị kích thích bởi các nguyên tử tạp chất cho đến khi mật độ lỗ trống là [SUB]
[/SUB] lỗ trống/m[SUP]3[/SUP]. Độ linh động của electron và lỗ trống là [SUB]
[/SUB] và [SUB]
[/SUB].
1. Tìm mật độ electron trong bán dẫn đã pha tạp chất.
2. Bán dẫn là loại N hay loại P?
3. Tìm độ dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất.
Hướng dẫn
1. Từ biểu thức 1-8:
[SUB]
[/SUB]
2. Vì [SUB]
[/SUB], vật liệu là loại P.
3. Từ biểu thức 1-7:
[SUB]
[/SUB]
Trong ví dụ trên, ta có thể thấy rằng độ dẫn điện của toàn bộ bán dẫn loại P phụ thuộc chủ yếu vào thành phần do lỗ trống gây ra. Điều này cũng đúng trong thực tế, độ dẫn điện của bán dẫn chủ yếu do hạt dẫn đa số quyết định. Biểu thức 1-9 mô tả độ dẫn điện xấp xỉ trong hai loại bán dẫn N và P.
[SUB]
[/SUB] (1-9)
1-5 Chuyển tiếp PN
Khi 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:
