Giáo trình CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Chương 2

CHƯƠNG 2:TIẾP GIÁP PN - DIODE BÁN DẪNTrước tiên, nội dung của chương 2 sẽ giới thiệu về tiếp giáp pn. Tiếp giáp pn là phần tử chính của các cấu kiện bán dẫn và nếu chỉ xét một tiếp giáp pn thì được gọi là diode tiếp giáp, một cấu kiện rất quan trọng trong điện tử. Tuy nhiên, có lẽ đáng kể hơn, tiếp giáp pn hiện nay có thể vẫn là phần cơ bản của hầu hết các dụng cụ bán dẫn khác nhau và cả các mạch vi điện tử, nên cần phải hiểu về tiếp...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Chương 2CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 15 TIẾP GIÁP PN - DIODE BÁN DẪNCHƯƠNG 2:Trước tiên, nội dung của chương 2 sẽ giới thiệu về tiếp giáp pn. Tiếp giáp pn là phần tử chínhcủa các cấu kiện bán dẫn và nếu chỉ xét một tiếp giáp pn thì được gọi là diode tiếp giáp, một cấukiện rất quan trọng trong điện tử. Tuy nhiên, có lẽ đáng kể hơn, tiếp giáp pn hiện nay có thể vẫnlà phần cơ bản của hầu hết các dụng cụ bán dẫn khác nhau và cả các mạch vi điện tử, nên cầnphải hiểu về tiếp giáp pn trước khi khảo sát các cấu kiện bán dẫn khác ở các chương tiếp theo.Cấu kiện điện tử đơn giản nhất được gọi là diode. Diode bán dẫn được kết hợp bằng hai vật liệukhác loại được gắn kết với nhau theo kiểu sao cho điện tích dễ dàng chảy theo một chiều nhưngsẽ bị ngăn cản theo chiều ngược lại.Diode đã được phát minh bởi Henry Dunwoody vào năm 1906 khi ông đặt một mẫucarborundum vào giữa hai vòng kẹp bằng đồng vào lò điện. Sau đó một vài năm, GreeleafPickard đã phát minh bộ tách sóng vô tuyến tinh. Các nghiên cứu khác nhau được diễn ra trongkhoảng thời gian từ 1906 đến 1940 đã cho thấy rằng silicon và germanium là những loại vật liệurất tốt dùng để chế tạo các diode bán dẫn.Nhiều vấn đề khó khăn đã được khắc phục về cấu trúc và công nghệ chế tạo các diode. Cho đếnnhững năm giữa thập niên 1950, các nhà chế tạo đã giải quyết được vấn đề khó khăn nhất. Trongthời kỳ bùng nổ về công nghệ những năm cuối thập niên1950 và đầu thập niên 1960, công nghệbán dẫn đã đạt được thành tựu lớn đáng chú ý, do nhu cầu phải có các cấu kiện điện tử trọnglượng nhẹ, kích thước nhỏ, và tiêu thụ mức nguồn thấp dùng cho việc phát triển tên lửa liên lụcđịa và các tàu vũ trụ. Nhiệm vụ quan trọng đã được đặt ra trong việc chế tạo các cấu kiện bándẫn để có thể nhận được độ tin cậy cao trong các ứng dụng mà trong đó không thể thực hiện việcbảo dưỡng. Kết quả là đã phát triển cấu kiện bán dẫn rẽ hơn và độ tin cậy cao hơn so với các đènchân không.Nội dung cơ bản của chương sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của diode bándẫn, loại cấu kiện hai điện cực, kích thước nhỏ, không tuyến tính (nghĩa là khi áp đặt tổng haimức điện áp sẽ tạo ra mức dòng điện không bằng tổng của hai mức dòng riêng tạo thành). Diodehoạt động tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào. Đặc tuyến không tuyến tính của diode làlý do diode có trong nhiều mạch điện tử ứng dụng. Tiếp theo sẽ phân tích và khảo sát mạchtương 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,cũng như cách thiết kế mạch diode zener.Giới thiệu một số loại diode chuyên dụng khác như diode Schottky, diode biến dung, diode phátquang [light-emitting diode LED], và photodiode.2.1 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG.BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪNCẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 16Ở chương 1, cả hai loại vật liệu bán dẫn tạp n và p đã được xem xét. Tiếp giáp pn hay diode tiếpgiáp được tạo thành bằng cách ghép nối đơn giản hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n và p vớinhau (cấu trúc dựa trên cùng một loại bán dẫn Si hoặc Ge), như mô tả ở hình 2.1a.Trong thực tế, diode có thể được chế tạo bằng cách: Trước tiên, người ta lấy một mẫu bán dẫntạp dạng n có nồng độ pha tạp ND và tiến hành biến đổi chọn lọc một phần mẫu n thành vật liệubán dẫn p nhờ bổ sung các tạp chất acceptor có nồng độ NA > ND. Vùng bán dẫn tạp dạng p đượcgọi là anode còn vùng n được gọi là cathode của diode. Ký hiệu mạch của diode như ở hình2.1c. Tiếp giáp pn là bộ phận cơ bản của tất cả các cấu kiện bán dẫn và các vi mạch điện tử (IC).Để đơn giản, với giả thiết không có các thế hiệu ngoài đặt vào mẫu tinh thể, và mật độ hạt tảiđiện chỉ phụ thuộc vào phương x, ta có thể xét một diode tiếp giáp pn, tương tự như hình 2.1, ởvùng vật liệu bán dẫn tạp dạng - p có NA = 1017 (nguyên tử /cm3) và ND = 1016 (nguyên tử/cm3) ởvùng 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 pp = 1017 (lỗ trống/cm3) và np ≈ 103 (điện tử/cm3)Vùng bán dẫn tạp n có pn ≈ 104 (lỗ trống/cm3) và nn = 1016 (điện tử/cm3)Với các nồng độ pha tạp trên, ta có thể vẽ giản đồ biểu diễn nồng độ theo thang loga như hình2.2a, ở phía bán dẫn p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống rất lớn, ngược lại ở phía bán dẫn n cónồng độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều. Cũng vậy, nồng độ điện tử rất lớn ở phía bán dẫn n và nồngđộ điện tử rất nhỏ ở phía bán dẫn p. Do có sự chênh lệch về nồng độ ở hai phía của tiếp giáp nênsẽ có sự khuyếch tán xảy ra qua tiếp giáp pn. Các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ vùng có nồng độcao ở phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp ở phía bán dẫn n ...