1
c lc
2.1 Nh÷ng tÝnh chÊt c¬ b¶n cña vËt liÖu b¸n dÉn.................................................................................3
2.1.1 §é dÉn ®iÖn cña chÊt b¸n dÉn................................................................................................3
2.1.2 CÊu tróc vïng n¨ng l−îng cña vËt r¾n....................................................................................3
2.1.3 C¸c lo¹i chÊt b¸n dÉn.............................................................................................................5
2.1.4 C¸c d¹ng dÉn cña b¸n dÉn......................................................................................................5
2.1.5 Sù pha t¹p chÊt v/o b¸n dÉn...................................................................................................5
2.2 ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i I)...............................................................................................6
2.2.1 CÊu tróc v/ mèi liªn kÕt trong b¸n dÉn thuÇn ........................................................................6
2.2.2 BiÓu diÔn vïng n¨ng l−îng cña b¸n dÉn thuÇn.......................................................................7
2.2.2 Kh¸i niÖm ®iÖn tö v/ lç trèng trong b¸n dÉn thuÇn................................................................8
2.3 B¸n dÉn lo¹i n v/ lo¹i p.................................................................................................................9
2.3.1 B¸n dÉn lo¹i N........................................................................................................................9
2.3.2 B¸n dÉn lo¹i P ......................................................................................................................10
2.3.3 H¹t dÉn ®a sè v/ h¹t dÉn thiÓu sè.........................................................................................11
2.4 Nång ®é h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn............................................................................................12
2.4.1 Kh¸i niÖm vÒ møc n¨ng l−îng Fecmi ..................................................................................12
2.4.2 Nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn............................................................................................13
2.4.3 TÝch sè nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn................................................................................15
2.4.4 VÞ trÝ møc Fecmi trong b¸n dÉn.........................................................................................15
2.4.5 Sù ph¸t x¹ v/ t¸i hîp h¹t dÉn................................................................................................17
2.5 Dßng ®iÖn trong chÊt b¸n dÉn......................................................................................................19
2.5.1 §é dÉn ®iÖn cña chÊt b¸n dÉn..............................................................................................19
2.5.2 Dßng ®iÖn trong chÊt b¸n dÉn..............................................................................................20
2.6 CÊu t¹o v/ nguyªn lý l/m viÖc cña §iot b¸n dÉn.........................................................................23
2.6.1 TiÕp xóc PN khi kh«ng cã ®iÖn ¸p ngo/i .............................................................................23
2.6.2 TiÕp xóc PN khi cã ®iÖn ¸p ngo/i ........................................................................................25
2.6.3 §Æc tuyÕn V«nWAmpe v/ ph−¬ng tr×nh dßng ®iÖn I
D
cña §i«t b¸n dÉn ...............................26
2.7 C¸c tham sè chÝnh cña §iot b¸n dÉn ..........................................................................................31
2.7.1 C¸c tham sè giíi h¹n............................................................................................................32
2.7.2 C¸c tham sè ®iÖn..................................................................................................................32
2.7.3 C¸c tham sè c¬ khÝ...............................................................................................................33
2.7.4 C¸c hä ®−êng cong ®Æc tuyÕn cña tham sè ®iÖn ..................................................................33
2.8 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña ®iot b¸n dÉn...........................................................................................40
2.8.1 §iot lý t−ëng........................................................................................................................40
2.8.2 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng ë tÇn sè thÊp dïng ph−¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh ho¸ tõng ®o¹n..................41
2.8.3 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña §iot ë tÇn sè cao.............................................................................42
2.9 §i«t zener ....................................................................................................................................43
2.9.1 §Æc tuyÕn V«n W Ampe ........................................................................................................43
2.9.2 C¸c tham sè cña §iot Zener v/ s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng..............................................................43
2.9.3 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña §iot Zener ......................................................................................45
2.10 §iot biÕn dung (Varicap hoÆc varactor).....................................................................................45
2.11 §iot Tunen.................................................................................................................................49
2.12 §iot Shotky (Shotky Diode hay hot Carrier diode)...................................................................53
2
2.12.1 TiÕp xóc kim lo¹i b¸n dÉn..................................................................................................53
2.12.2 §iot Shotky ........................................................................................................................55
2.13 §iot PIN.....................................................................................................................................58
2.14 Mét sè øng dông phæ biÕn cña §iot b¸n dÉn..........................................................................59
2.14.1 ChØnh l−u dßng ®iÖn xoay chiÒu .......................................................................................59
2.14.2 M¹ch h¹n møc dïng §iot b¸n dÉn ....................................................................................65
2.14.3 M¹ch dÞch møc (Clamper) ................................................................................................68
2.14.4. M¹ch æn ¸p dïng §iot Zener ............................................................................................70
3
ch−¬ng





2.1 Nh÷ng tÝnh chÊt c¬ b¶n cña vËt liÖu b¸n dÉn
2.1.1 §é dÉn ®iÖn cña chÊt b¸n dÉn
ThuËt ng÷ b¸n dÉn (Semiconductor) dùa trªn kh¸i niÖm vÒ ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu n/y. Nã n»m
kho¶ng gi÷a hai vËt liÖu l/ dÉn ®iÖn (Conductor) v/ c¸ch ®iÖn (Isolator). B¸n dÉn l/ nh÷ng vËt chÊt ë
thÓ r¾n, cã thÓ l/ kÕt tinh hoÆc v« ®Þnh h×nh, tinh khiÕt hoÆc hçn hîp, ®¬n chÊt hoÆc hîp chÊt. §Ó cã
thÓ −íc l−îng vÒ ®é dÉn ®iÖn, ng−êi ta dïng ®¹i l−îng ®iÖn trë suÊt ρ (Ω.cm). §é dÉn cña nã phô thuéc
nhiÒu v/o nh÷ng t¸c nh©n bªn ngo/i nh− t¹p chÊt, nhiÖt ®é, ¸nh s¸ng, ®iÖn tr−êng, tõ tr−êng, ¸p suÊt
v.v... D−íi ®©y l/ b¶ng ®é dÉn ®iÖn cña vËt r¾n.
B¶ng 2.1  §é dÉn ®iÖn cña vËt r¾n
VËt liÖu ρ
ρρ
ρ (Ω
ΩΩ
Ω cm) Lo¹i dÉn
DÉn ®iÖn 10
W6
– 10
W3
§iÖn tö
B¸n dÉn 10
W4
– 10
+10
§iÖn tö
C¸ch ®iÖn 10
+9
– 10
+18
§iÖn tö + i«n
§Ó so s¸nh cô thÓ gi¸ trÞ ρ cña ba lo¹i vËt liÖu nªu trªn ta lÊy ba chÊt: §ång (dÉn ®iÖn), Mica
(c¸ch ®iÖn) v/ Ge, Si (chÊt b¸n dÉn).
DÉn ®iÖn B¸n dÉn C¸ch ®iÖn
§ång
ρ
ρρ
ρ= 10
)6
Ω
ΩΩ
Ω.cm
Ge
ρ
ρρ
ρ= 50Ω
ΩΩ
Ω.cm
Si
ρ
ρρ
ρ = 50 ×
××
× 10
3
Ω
ΩΩ
Ω.cm
Mica
ρ
ρρ
ρ = 10
12
Ω
ΩΩ
Ω.cm
ChÊt b¸n dÉn ®−îc dïng th«ng dông nhÊt hiÖn nay ®Ó chÕ t¹o c¸c cÊu kiÖn ®iÖn tö l/ Si W Silic
(Silicon), Ge W Gecmani (Germanium) v/ GaAs W Gali Asenic (Gallium Arsenide).
2.1.2 CÊu tróc vïng n¨ng l−îng cña vËt r¾n
Gi¶ sö cã hai nguyªn tö ë trong ch©n kh«ng, tøc l/ kho¶ng c¸ch gi÷a hai t©m nguyªn tö d lín
h¬n rÊt nhiÒu so víi hai lÇn b¸n kÝnh cña c¸c nguyªn tö nh− trªn h×nh 2W1. Khi ®ã, c¸c nguyªn tö ®−îc
coi l/ c« lËp, c¸c ®iÖn tö thuéc nguyªn tö n/o th× chØ chÞu lùc hót cña chÝnh h¹t nh©n trong nguyªn tö
®ã, tr¹ng tr¸i n¨ng l−îng cña ®iÖn tö lóc n/y ®−îc biÓu diÔn b»ng mét ®−êng th¼ng víi ®iÒu kiÖn
d>>2R nh− h×nh 2W3a. Trong mét khèi vËt r¾n, c¸c h¹t nh©n cña nh÷ng nguyªn tö ®øng c¹nh nhau chØ
c¸ch nhau kho¶ng d< 2R nh− trªn h×nh 2W2. Nh÷ng líp vá ®¸m m©y ®iÖn tö ngo/i cïng lång v/o nhau
t¹o ra mét vïng ®iÖn tÝch ©m lín, nã hót hai h¹t nh©n nguyªn tö c¹nh nhau b»ng mét lùc tÜnh ®iÖn
m¹nh ®ã l/ liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ rÊt bÒn v÷ng. Khi ®iÖn tö n»m trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ, nã trë th/nh
cña chung ®èi víi c¸c nguyªn tö xung quanh v/ chÞu lùc hót cña tÊt c¶ c¸c nguyªn tö ®ã. V× vËy mét
4
møc n¨ng l−îng tr−íc ®©y sÏ bÞ t¸ch th/nh nhiÒu møc rÊt gÇn nhau v/ trë th/nh mét d¶i n¨ng l−îng
nh− trªn h×nh 2W3b vïng d< 2R. §èi víi mét chÊt ®t x¸c ®Þnh th× kho¶ng c¸ch d
1
l/ h»ng sè, ng−êi ta
cã thÓ biÓu diÔn tr¹ng th¸i n¨ng l−îng cña ®iÖn tö trong m¹ng tinh thÓ b»ng nh÷ng d¶i liªn tôc theo
chiÒu d/i khèi vËt liÖu nh− h×nh 2W3b.
Ký hiÖu: Wc l/ møc n¨ng l−îng ®¸y vïng dÉn
Wv l/ møc n¨ng l−îng ®Ønh vïng hãa trÞ
∆Wg l/ ®é lín cña vïng cÊm
®©y ta thÊy cÊu tróc n¨ng l−îng cña vËt r¾n gåm ba vïng:
+ Vïng hãa trÞ víi 0< W < Wv ®−îc cÊu t¹o bëi nh÷ng møc n¨ng l−îng s¸t ngo/i cïng, ®ã l/
nh÷ng møc ®t bÞ chiÕm ®Çy t−îng tr−ng cho c¸c ®iÖn tö n»m trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ bÒn v÷ng,
kh«ng cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn.
+ Vïng dÉn víi W > Wc gåm nh÷ng møc n¨ng l−îng cña líp ngo/i cïng trong ®ã cßn nhiÒu
møc trèng, t¹i ®©y ®iÖn tö cã thÓ tù do dÞch chuyÓn trong to/n bé m¹ng tinh thÓ v/ s½n s/ng tham gia
dÉn ®iÖn khi cã ®iÖn tr−êng.
+ Vïng cÊm víi Wv < Wg < Ec kh«ng cã møc n¨ng l−îng n/o ®Ó ®iÖn tö cã thÓ tån t¹i ®−îc.
NÕu mét ®iÖn tö ®ang n»m trong vïng ho¸ trÞ muèn tham gia dÉn ®iÖn th× nã ph¶i ®−îc cung cÊp
n¨ng l−îng ®ñ lín ®Ó v−ît h/ng r/o thÕ Wg ®Ó lªn vïng dÉn.
VËy cã thÓ dùa v/o ®é réng cña Wg ®Ó ph©n vËt r¾n l/m ba lo¹i (nh− trªn h×nh 2W 4):
d> 2R
R
H×nh 2)1: Tr−êng hîp 2 nguyªn tö
®øng ®éc lËp : d> 2R
H×nh 2)2: Tr−êng hîp 2 nguyªn tö
d< 2R
X
Vïng ®Çy
Vïng cÊm
Vïng trèng
∆
Wg
0
W
W
C
W
v
d
1
Silic
d
1
d > 2R
0
3s
2
3p
2
W
H×nh 2)3: CÊu tróc vïng n¨ng l−îng cña tinh thÓ Silic ë 0
o
K
®èi víi líp ®iÖn tö ngoLi cïng
a)
b)
d < 2R
5
+ VËt dÉn øng víi Wg = 0
+ B¸n dÉn øng víi 0 < Wg < 5 eV
+ C¸ch ®iÖn øng víi Wg ≥ 5 eV
H×nh 2 ) 4: Gi¶n ®å vïng n¨ng l−îng cña vËt r¾n
(c¸ch ®iÖn, b¸n dÉn, dÉn ®iÖn)
2.1.3 C¸c lo¹i chÊt b¸n dÉn
NÕu dùa v/o cÊu t¹o ph©n tö th× cã thÓ ph©n ra b¸n dÉn ®¬n chÊt v/ b¸n dÉn hîp chÊt. VÝ dô nh−
Si v/ Ge l/ b¸n dÉn ®¬n chÊt v× trong nót m¹ng tinh thÓ cña chóng chØ cÊu t¹o tõ mét nguyªn tö, cßn
nh÷ng b¸n dÉn m/ trong ph©n tö cña nã chøa trªn mét lo¹i nguyªn tö th× l/ b¸n dÉn hîp chÊt. VÝ dô c¸c
nhãm d¹ng A
IV
B
IV
nh− c¸cbit silic SiC
X
víi tØ lÖ l/ 70,045%Si + 29,955%C, ®−îc dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c
®iÖn trë cã trÞ sè biÕn ®æi theo ®iÖn ¸p (VaristorWVDR). HoÆc nhãm hîp chÊt A
III
B
V
sù kÕt hîp mét
nguyªn tö nhãm III víi mét nguyªn tö nhãm V nh− AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, nh÷ng b¸n dÉn
n/y ®−îc dïng ®Ó chÕ tao ra c¸c linh kiÖn ®Æc biÖt nh− LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v...
Nhãm hîp chÊt A
II
B
VI
kÕt hîp nhãm II víi nhãm V nh− Sulfua ch× PbS; Sulfua Bismit Bi
2
S
3
; Sulfua
Cadmi CdS cã thÓ ®−îc dïng s¶n xuÊt c¸c dông cô cm biÕn quang ®iÖn, vÝ dô quang trë R
φ
. V/ C¸c
«xit Cu
2
O, MnO
2
, MgO, MgO.Cr
2
O
3
®−îc dïng chÕ t¹o c¸c nhiÖt ®iÖn trë R
T
.
2.1.4 C¸c d¹ng dÉn cña b¸n dÉn
Dùa v/o b¶n chÊt cña c¸c h¹t t¶i ®iÖn (hay cßn gäi l/ h¹t dÉn) m/ ng−êi ta cã thÓ chia ra th/nh 3
d¹ng dÉn cña b¸n dÉn:
- NÕu h¹t t¶i ®iÖn gåm 2 lo¹i h¹t víi sè l−îng b»ng nhau l/ ®iÖn tö v/ lç trèng, ®ång thêi ®é dÉn
phô thuéc m¹nh v/o nhiÖt ®é th× ®ã l/ b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i I W viÕt t¾t cña tõIntrinsic).
- NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu l/ ®iÖn tö th× l/ b¸n dÉn lo¹i N.
- NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu l/ lç trèng th× l/ b¸n dÉn lo¹i P.
2.1.5 Sù pha t¹p chÊt vLo b¸n dÉn
§èi víi nh÷ng nguyªn tè nhãm 4 th× tÊt c¶ c¸c nguyªn tè nhãm 5 ®Òu l/ t¹p cho (t¹p N) ®Ó t¹o ra
b¸n dÉn N, ng−êi ta th−êng dïng l/ P, As, Sb. Trong ®ã As (Asen) ®−îc dïng nhiÒu h¬n P (Photpho)
do cã ®é ho/ tan cao. Cßn tÊt c¶ nguyªn tè nhãm 3 ®Òu l/ t¹p nhËn (t¹p P) ®Ó t¹o b¸n dÉn P nh− Al, In,
B, trong ®ã B th−êng ®−îc dïng nhiÒu h¬n v× nã Ýt bÞ oxy ho¸. Sù pha t¹p v/o tinh thÓ nguyªn tè nhãm
4 ngo/i viÖc l/m thay ®æi ®iÖn dÉn suÊt σ cña vËt liÖu, nã cßn ¶nh h−ëng ®Õn ®é linh ®éng µ cña h¹t
dÉn, nÕu nång ®é t¹p c/ng cao th× ®é linh ®éng c/ng gi¶m.
PhÇn vïng dÉn
v/ vïng ho¸ trÞ
chång lªn nhau
Vïng dÉn
Vïng ho¸ trÞ
Vïng dÉn
∆Wg
Vïng ho¸ trÞ
W
V
Vïng dÉn
∆Wg
Vïng ho¸ trÞ
W
C
W
V
W
V
W
C
W
C
a) ChÊt c¸ch ®iÖn,
∆
∆∆
∆
Wg > 5eV
b) ChÊt b¸n dÉn,
0eV <
∆
∆∆
∆
Wg < 5eV
c) ChÊt dÉn ®iÖn,
∆
∆∆
∆
Wg = 0eV