Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.

Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là gecmani và silic.

• Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

• Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.

• Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác

Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n.

Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p.

Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường

Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.

Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống

Lớp chuyển tiếp p-n là chổ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên 1 tinh thể bán dẫn

Miền bán dẫn loại P hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống.

Miền bán dẫn loại N hạt tải điện chủ yếu là electron tự do.

Khi electron gặp lỗ trống (nơi liên kết thiếu electron), nó sẽ nối lại liên kết và một cặp electron–lỗ trống bị biến mất.

Ở lớp chuyển tiếp P-N, sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện được gọi là lớp nghèo.

Ở lớp chuyển tiếp P-N (lớp nghèo), về phía bán dẫn N có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn P có các ion axepto tích điện âm.

Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N thì:

• Lỗ trống trong bán dẫn P sẽ chạy theo cùng chiều điện trường vào lớp nghèo.

• Electron trong bán dẫn N sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.

Lúc này lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy, sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền bán dẫn P sang miền bán dẫn N.

Quy ước:

• Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ P sang N: chiều thuận.

• Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ N sang P: chiều ngược.

Khi dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp P-N theo chiều thuận, các hạt tải điện đi vào lớp nghèo có thể đi tiếp sang miền đối diện. Ta nói có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác.

Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1mm, vì cả hai miền P và N lúc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp

Cấu tạo Điôt bán dẫn: Khi đã có được hai chất bán dẫn loại P và loại N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta được một điôt bán dẫn. 

Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống tạo thành lớp ion trung hòa điện, lớp này là miền cách điện.

Chiều dòng điện đi qua Điôt và kí hiệu Điôt: 

Xét một tinh thể bán dẫn trên đó có tạo ra một miền p, và hai miền n₁ và n₂. Mật độ electron trong miền n₂ rất lớn so với mật độ lỗ trống trong miền p. Trên các miền này có hàn các điện cực C, B, E. Điện thế ở các cực E, B, C giữ ở các giá trị V_E = 0, V_B vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận, V_C có giá trị tương đối lớn (cở 10V).

Giả sử miền p rất dày, n₁ cách xa n₂

•   Lớp chuyển tiếp n₁-p phân cực ngược, điện trở RCB giữa C và B rất lớn.

•   Lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận nhưng vì miền p rất dày nên các electron từ n₂ không tới được lớp chuyển tiếp p-n₁, do đó không ảnh hưởng tới RCB.

Giả sử miền p rất mỏng, n₁ rất gần n₂

•   Đại bộ phận dòng electron từ n₂ phun sang p có thể tới lớp chuyển tiếp n₁-p, rồi tiếp tục chạy sang n₁ đến cực C làm cho điện trở RCB giảm đáng kể.

•   Hiện tượng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito.

  Vì đại bộ phận electron từ n₂ phun vào p không chạy về B mà chạy tới cực C, nên ta có  \({I_B} <  < {\rm{ }}{I_E}\) và \({I_C} \approx {I_E}\) . Dòng I_B nhỏ sinh ra dòng I_C lớn, chứng tỏ có sự khuếch đại dòng điện

Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n₁ và n₂ gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n.

Tranzito có ba cực:

• Cực góp hay là côlectơ (C).

• Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ (B).

• Cực phát hay Emitơ (E).

Ứng dụng phổ biến của tranzito là để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử.

Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.

Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.

Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.

Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là gecmani và silic.

• Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

• Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.

• Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác

Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n.

Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p.

Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường

Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.

Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống

Lớp chuyển tiếp p-n là chổ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên 1 tinh thể bán dẫn

Miền bán dẫn loại P hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống.

Miền bán dẫn loại N hạt tải điện chủ yếu là electron tự do.

Khi electron gặp lỗ trống (nơi liên kết thiếu electron), nó sẽ nối lại liên kết và một cặp electron–lỗ trống bị biến mất.

Ở lớp chuyển tiếp P-N, sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện được gọi là lớp nghèo.

Ở lớp chuyển tiếp P-N (lớp nghèo), về phía bán dẫn N có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn P có các ion axepto tích điện âm.

Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N thì:

• Lỗ trống trong bán dẫn P sẽ chạy theo cùng chiều điện trường vào lớp nghèo.

• Electron trong bán dẫn N sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.

Lúc này lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy, sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền bán dẫn P sang miền bán dẫn N.

Quy ước:

• Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ P sang N: chiều thuận.

• Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ N sang P: chiều ngược.

Khi dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp P-N theo chiều thuận, các hạt tải điện đi vào lớp nghèo có thể đi tiếp sang miền đối diện. Ta nói có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác.

Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1mm, vì cả hai miền P và N lúc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp

Cấu tạo Điôt bán dẫn: Khi đã có được hai chất bán dẫn loại P và loại N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta được một điôt bán dẫn. 

Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống tạo thành lớp ion trung hòa điện, lớp này là miền cách điện.

Chiều dòng điện đi qua Điôt và kí hiệu Điôt: 

Xét một tinh thể bán dẫn trên đó có tạo ra một miền p, và hai miền n₁ và n₂. Mật độ electron trong miền n₂ rất lớn so với mật độ lỗ trống trong miền p. Trên các miền này có hàn các điện cực C, B, E. Điện thế ở các cực E, B, C giữ ở các giá trị V_E = 0, V_B vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận, V_C có giá trị tương đối lớn (cở 10V).

Giả sử miền p rất dày, n₁ cách xa n₂

•   Lớp chuyển tiếp n₁-p phân cực ngược, điện trở RCB giữa C và B rất lớn.

•   Lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận nhưng vì miền p rất dày nên các electron từ n₂ không tới được lớp chuyển tiếp p-n₁, do đó không ảnh hưởng tới RCB.

Giả sử miền p rất mỏng, n₁ rất gần n₂

•   Đại bộ phận dòng electron từ n₂ phun sang p có thể tới lớp chuyển tiếp n₁-p, rồi tiếp tục chạy sang n₁ đến cực C làm cho điện trở RCB giảm đáng kể.

•   Hiện tượng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito.

  Vì đại bộ phận electron từ n₂ phun vào p không chạy về B mà chạy tới cực C, nên ta có  \({I_B} <  < {\rm{ }}{I_E}\) và \({I_C} \approx {I_E}\) . Dòng I_B nhỏ sinh ra dòng I_C lớn, chứng tỏ có sự khuếch đại dòng điện

Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n₁ và n₂ gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n.

Tranzito có ba cực:

• Cực góp hay là côlectơ (C).

• Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ (B).

• Cực phát hay Emitơ (E).

Ứng dụng phổ biến của tranzito là để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử.

Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.

Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.

Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.