Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
257
KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8
CHƯƠNG 0 8
DIODEVÀCÁCMẠCHỨNGDỤNG
8.1.TÔNG QUAN VÊ CHÂT BAN DÂN:
8.1.1.TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ
Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử là thành phần
nhỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần
tử đó. Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân chứa các
hạt mang điện tích dương được gọi là proton và các hạt
mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo
bao quanh nhân. Với các nguyên tử khác loại số lượng
electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau,
xem hình H8.1.
Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên bảng phân
loại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic
number). Nguyên tử số được xác định theo số lượng proton
chứa trong nhân. Trong điều kiện bình thường các nguyên
tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron
và proton bằng nhau.
Các điện tử chuyển động trên các tầng quỉ đạo
quanh nhân với các khoảng cách khác nhau. Mỗi tầng quỉ
đạo điện tử tương ứng với mức năng lượng khác nhau. Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện
tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn.
Trong nguyên tử những quỉ đạo được ghép thành
nhóm trong các băng năng lượng (energy bands) được gọi là
shell. Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố
định. Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng
lượng cho phép. Mức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ
đạo trong cùng một shell phải nhỏ hơn mức năng lượng
chênh lệch giữa hai shell kế cận nhau. Các shell được đánh
số thứ tự 1, 2 , 3 ..từ trong nhân ra ngoài , xem hình H 8.2.
Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng
cao nhưng kém liên kết chặt với nguyên tử so với các điện tử
nằm gần nhân. Lớp shell nằm ngoài cùng được gọi là
valence shell (lớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này
được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử hóa trị tham gia vào các
phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các
tính chất về điện của vật liệu.
Khi nguyên tử hấp thu nhiệt năng hay quang năng,
năng lượng của các điện tử gia tăng. Các điện tử hóa trị có
khả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị. Khi các
điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây
giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron. Quá
trình mất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là ion
dương. Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do. Khi các
electron hóa trị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên tử
trung hòa cho ta ion âm.
Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ:
e
Nn2
2 (8.1)
Trong đó, là số thứ tự của shell tính từ trong nhân ra phía ngoài.
HÌNH H 8.1
HÌNH H 8.2
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
258 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8
8.1.2.CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:
Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử. Những
nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính
dẫn điện của vật liệu.
Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu,
nguyên tử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và phần
lỏi bao gồm nhân và các shell bên trong. Carbon là loại vật
liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons
hóa trị trên shell hóa trị và 2 electron trên tầng trong cùng, nhân
bao gồm 6 protons và 6 neutrons. Ta nói phần lỏi (core) của
nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và 2 electrons
tạo nên, xem hình H8.3.
8 .1 .2 .1 .CH ẤT DẪN ĐIỆN ( CONDUCTOR)
Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Các chất dẫn điện
rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng , nhôm. Nguyên tử hình thành các vật liệu
này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để
thành electron tự do. Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng chứa nhiều electrons tự do.
8 .1 .2 .2 .CH ẤT CÁCH ĐIỆN ( I NSULATOR)
Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi
trường. Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử. Các điện tử
hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử. Trong chất cách điện rất hiếm các điện tử tự do.
8 .1 .2 .3 .CH ẤT BÁN ĐIỆN ( SEMI CONDUCTOR)
Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn
thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt. Chất bán dẫn đơn
nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon). Hợp chất bán dẫn
như là: Gallinium Asernide. Với các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị
trên shell hóa trị .
8.1.3.DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS):
Với shell hóa trị của
nguyên tử biểu diễn mức của
dãy năng lượng dùng kềm giữ
các điện tử hóa trị trên shell
hóa trị. Mức năng lượng này
được gọi là dãy hóa trị (valence
band).
Khi các điện tử hấp thu
được đủ năng lượng để thóat
khỏi shell hóa trị trở thành điện
tử tự do và tiếp tục duy trì trạng
thái này trong dãy năng lượng
khác được gọi là dãy dẫn
(conduction band) xem hình
H8.4. Khoảng chênh lệch năng
lượng giữa dãy hóa trị và dãy
dẫn được gọi là khe năng lượng
(energy gap). Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượng để đến dãy dẫn,
điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác.
HÌNH H 8.3
HÌNH H 8.4
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
259
KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8
Trong hình H8.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau:
Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy
dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao
(cao áp) ngang qua lớp vật liệu.
Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện. Khi khe
năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do.
Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn
có rất nhiều điện tử tụ do.
8.1.4.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:
Trong hình H8.5
trình bày nguyên tử
của đồng là chất
dẫn điện và nguyên
tử Silicon của chất
bán dẫn.
Phần lõi của
nguyên tử Silicon có
điện tích tổng là +4
(14 ptotons và 10
electrons).
Phần lõi của
nguyên tử đồng có
điện tích tổng là +1
(29 protons và 28
electrons).
Phần lõi là vật
thể đã loại trừ các
điện tử hóa trị.
Điện tử hóa trị
trong nguyên tử đồng
“cảm nhận” lực hấp
dẫn do điện tích +1
của phần lõi nguyên
tử, trong khi điện tử
hóa trị trong nguyên
tử Silicon “cảm nhận”
lực hấp dẫn do điện
tích +4 từ phần lõi
nguyên tử. Ta nói lực
hấp dẫn lên điện tử
hóa trị trong nguyên
tử Silicon gấp 4 lần
lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng. Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp
shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn
so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn
so với năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử silicon.Từ các nhận xét trên cho thấy điện tử
hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so
sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon.
Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều
điện tử tự do.
HÌNH H 8.5
HÌNH H 8.6
4 điện tử hóa trị trên
lớ
p
shell n
g
oài cùn
g
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
260 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8
8.1.5.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM:
Trong hình H8.6. trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium.
Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích
hợp (IC – intergrated circuit) . Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa
trị ( 4 điện tử hóa trị).
Tuy nhiên các điện tử hóa trị của Germanium ở lớp shell thứ 4 trong khi các điện tử
hóa trị của Silicon ở lớp shell thứ 3 gần nhân hơn. Điều này cho thấy khả năng hấp thu năng
lượng để trở thành điện tử tự do của các điện tử hóa trị trong nguyên tử Germanium dễ
dàng hơn các điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon. Do tính chất này Germanium thường
không ổn định tại nhiệt độ cao , đây là lý do cơ bản khiến Silicon được dùng rộng rãi hơn .
8.1.6.NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS):
Khi các nguyên tử
tổ hợp tạo thành vật rắn,
tinh thể vật liệu, chúng tự
sắp xếp theo mô hình đối
xứng. Các nguyên tử
trong cấu trúc tinh thể nối
kết với nhau bằng nối
cộng hóa trị, kết nối này
được hình thành do sự
tương tác giữa các điện
tử hóa trị trong các
nguyên tử. Silicon là loại
vật liệu tinh thể (crystalline
material). Trong hình H8.7
trình bày cấu trúc của tinh
thể Silicon tạo bởi các
nguyên tử Silicon.
Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện
tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận
hình thành 4 nối cộng hóa trị.
Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các
nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng
hóa học. Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4
nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử
với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal)
không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi
nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.8.8. Tinh
thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4
điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng.
8.1.8.TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN:
Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý
hoạt động của linh kiện điện tử.
Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các
dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách
biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng.
Trong hình H8.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon
thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử).
HÌNH H 8.7
HÌNH H8.8
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
261
KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8
Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0o Kelvin.
8 .1 .8 .1 .TÍ N H DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG:
Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi
trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua
khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở
thành điện tử tự do. Các điện tử tự do được gọi là các
điện tử dẫn (conduction electrons). Sự kiện này được
trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram)
và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) trong
hình H8.10.
Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm
khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể. Vị trí khiếm
khuyết này gọi là lỗ trống (hole). Với mỗi điện tử hấp
thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình
thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một
cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H8.10.
Tại nhiệt độ bình thường của môi trường,
trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành
cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách
ngẩu nhiên, xem hình H8.11.
8 .1 .8 .2 .DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS
VÀ LỔ TRỐNG
:
Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai
đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem
hình H.8.12. , các điện tử tự do trong dãy dẫn
sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong
cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực
dương (+) của nguồn áp cung cấp.
HÌNH H8.9
HÌNH H8.10
HÌNH H8.11