Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Lời cảm ơn Trong quá trình học tập tại Trờng ĐH Vinh, tôi đã nhận đợc những kiến thức quí báu và cần thiết từ các thầy , cô giáo- Điều đó đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Luận văn này đợc thực hiện và hoàn thành tại khoa Công nghệ Trờng ĐH- Vinh với sự hớng dẫn của thầy giáo, TS. Nguyễn Hoa L. Với tình cảm trân trọng, tôi xin cảm ơn tới các thầy, cô giáo khoa Vật lí, Khoa công nghệ và các học viên đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới thầy giáo, TS. Nguyễn Hoa L và các thầy giáo Khoa công nghệ đã tận tình đặt đề tài và hớng dẫn, chỉ bảo và giúp tôi vợt qua khó khăn để hoàn thành tốt công việc đợc giao . Vinh, ngày tháng năm 2005 Tác giả 1 Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Chơng I. Cơ sở vật lý dụng cụ bán dẫn Dụng cụ bán dẫn đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn, là loại vật liệu ở điều kiện nhất định nó trở thành dẫn điện, ở những điều kiện khác lại là cách điện. Trong vật liệu bán dẫn thì điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng và mỗi loại đều có một nhiệt độ giới hạn. ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các loại sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn. Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hoặc cũng có thể là hợp chất của hai hay nhiều nguyên tố. Để hiểu nguyên lý làm việc của dụng cụ bán dẫn cần biết đợc các hiệu ứng vật lý xảy ra trong bán dẫn khi có dòng điện chạy qua dới các điều kiện khác nhau thì các hiệu ứng xảy ra rất khác nhau. ứng dụng các hiệu ứng này ngời ta đã và đang chế tạo ra nhiều dụng cụ bán dẫn. 1.1. Cấu trúc vùng năng lợng. Ta đã biết cấu trúc năng lợng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng các mức rời rạc. Khi đa các nguyên tử lại gần nhau, do tơng tác các mức này bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau đợc gọi là các vùng năng lợng. Đây là dạng cấu trúc năng lợng điển hình của vật rắn tinh thể. Tuỳ theo tình trạng các mức năng lợng trong một vùng có điện tử chiếm chỗ hay không, ngời ta phân biệt 3 loại vùng năng lợng khác nhau: * Vùng hoá trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng l- ợng đều đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái năng lợng tự do. * Vùng cấm là vùng không tồn tại các mức năng lợng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác xuất tìm thấy hạt tại đây bằng 0 . * Vùng dẫn là vùng trong đó các mức năng lợng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần Tuỳ theo vị trí tơng đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể đợc chia thành 3 loại (xét ở 0 0 K) thể hiện trên hình 1.1. 2 Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Hình 1.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lợng a. Chất cách điện E g > 2eV; b. Chất bán dẫn nhiệt E g 2eV; c. Chất dẫn điện Chúng ta đã biết, muốn tạo ra dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ đợc kích thích năng lợng và quá trình chuyển động có hớng của các hạt dẫn điện này dới tác dụng của trờng. Dới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể. 1.2. Bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp: 1.2.1 Bán dẫn thuần: Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) thuộc nhóm bốn bảng tuần hoàn Mendeleep, nó có cấu trúc vùng năng lợng dạng hình 1.1b với E g = 1,12eV. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng có dạng hình 1.2a với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hoá trị vành ngoài. ở 0 0 K chúng là các chất cách điện. Khi đợc một nguồn năng lợng ngoài kích thích thì trong bán dẫn xảy ra hiện tợng ion hoá các nguyên tử ở nút mạng và sinh ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại 1 liên kết bị khuyết (lỗ trống).Điều này tơng ứng với sự chuyển điện tử từ 1 mức năng lợng trong vùng hoá trị lên mức trong vùng dẫn để lại 1 mức tự do (trống) trong vùng hoá trị. Các cặp hạt dẫn tự do này, dới tác dụng của trờng ngoài hay một Gradien nồng độ có khả năng dịch chuyển có h- ớng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn thuần. Kết quả là: 3 Vùng dẫn Vùng hoá trị Vùng cấm E g E g a b c Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai 1. Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lợng kích thích đủ lớn E kt E g . 2. Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai quá trình kích thích năng lợng và dới tác dụng của điện trờng do quá trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra ni = pi. 1.2.2 Bán dẫn pha tạp: Trong mạng tinh thể của bán dẫn pha tạp xuất hiện những sai hỏng ở một số nút mạng của tinh thể bán dẫn. Để làm rõ vấn đề này ta lấy trờng hợp bán dẫn Gecmani thuần và Gecmani pha tạp có thể mô tả cấu tạo của chúng nh sau: + Cấu tạo của bán dẫn Gecmani thuần Mỗi nguyên tử có 4 điện tử hoá trị góp chung với 4 nguyên tử bên cạnh để tạo thành mối liên kết đồng hoá trị. Lực liên kết tác dụng lên các điện tử hoá trị tơng đối lớn, vì vậy năng lợng cần thiết để đa điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn cũng tơng đối lớn. Trong trờng hợp này, nếu các điện tử hoá trị nhận đợc năng lợng từ bên ngoài (nhiệt độ hoặc ánh sáng) đủ để có thể tách khỏi mối liên kết trở thành điện tử tự do nhảy lên vùng dẫn đồng thời tạo ra tại đây lỗ trống (nằm trong vùng hoá trị ) quá trình này đợc gọi là quá trình phát xạ cặp điện tử lỗ trống. Nh vậy trong bán dẫn thuần các hạt dẫn đợc tạo ra chủ yếu bởi quá trình hình thành cặp điện tử lỗ trống. + Cấu tạo của bán dẫn Gecmani pha tạp Nếu nh ở một vị trí đó của nút mạng tinh thể Ge đợc thay bằng một nguyên tử nguyên tố nhóm V, ví dụ P, As, Sb thì khi ấy 4 điện tử hoá trị của nguyên tử này đã đủ điều vào các mối liên kết với mạng Ge còn điện tử hoá trị thứ 5 thì không tham gia vào liên kết mạng tinh thể. Nó trở thành điện tử tự do, hiện tợng này đợc biểu diễn nh hình 1.2 a,b 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 1 + 4 2 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 5 + 4 + 4 2 + 4 1 Si Si Si p Hình 1.2a. Mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần. 1. Điện tử và lỗ trống trong vùng hoá trị 2. Điện tử trong vùng hoá trị b. Mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm 1 1. Đono bị ion hoá 2. Điện tử trong vùng dẫn Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Những tạp chất nhóm V kể trên đợc gọi là tạp chất đono (tạp chất cho điện tử) khi pha các tạp chất này vào bán dẫn thuần chúng bị ion hóa trở thành những ion dơng và cho những điện tử tự do. Bán dẫn đợc pha tạp chất đono gọi là bán dẫn loại n. Số lợng điện tử tự do trong nhóm bán dẫn loại n nhiều hơn hẳn số lỗ trống bởi vậy trong trờng hợp này gọi điện tử là hạt dẫn đa số lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Tính dẫn điện trong bán dẫn loại n. do điện tử quyết định việc làm sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần bằng tạp chất đono tơng ứng với việc làm xuất hiện trong vùng cấm của bán dẫn này những mức năng lợng nằm sát đáy vùng dẫn nh hình 1.3 và 1.4: Nếu pha vào bán dẫn Ge thuần những tạp chất thuộc nhóm III, ví dụ nh In, Ga, B, Al. Khi ấy do các tạp chất này chỉ có hoá trị III cho nên để tạo thành mối liên kết với mạng Ge chúng phải lấy một điện tử hoá trị của mối liên kết khác trong mạng để điền vào cho đủ. Kết quả là dẫn tới trong mạng tinh thể xuất hiện những điểm tích điện dơng. Những điểm tích điện dơng này có thể thay đổi vị trí tơng đối của chúng, đó 5 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + 4 + 4 1 2 In Hình 1.3. Vùng năng lượng bán dẫn n với mức đọ đono Mức đôno + _ + _ + _ + _ E + _ Mức acxepto + _ + _ + _ + _ + _ + _ E Hình 1.4 Vùng năng lượng bán dẫn p với mức dono Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai chính là những lỗ trống. Các tạp chất thuộc nhóm III này gọi là các acxepto (tạp chất bắt điện tử). khi pha các tạp chất acxepto vào bán dẫn, chúng bị ion hoá trở thành những ion âm và làm xuất hiện trong tinh thể bán dẫn những lỗ trống. Bán dẫn đợc pha tạp chất acxepto gọi là bán dẫn loại p, trong bán dẫn loại p số lợng lỗ trống nhiều hơn rất nhiều so với điện tử, cho nên trong bán dẫn này lỗ trống là hạt dẫn đa số quyết định. 1.3. Chuyển tiếp pn. 1.3.1. Chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng: Chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp pn cha có điện áp bên ngoài đặt vào. Nó đợc tạo thành ở miền tiếp xúc tinh thể bán dẫn loại n và loại p. Khi cho hai bán dẫn này tiếp xúc với nhau, tại bề mặt tiếp xúc lỗ trống sẽ khuếch tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n ngợc lại điện tử khuếch tán từ bán n sang bán dẫn p. Kết quả dẫn tới là phía bán dẫn p tại gần bề mặt tiếp xúc sẽ còn lại những ion âm của các nguyên tử acxeptot đã bị ion hoá và phía bán dẫn n tại gần bề mặt tiếp xúc còn lại là các ion dơng của các dono đã bị ion hoá. Nh vậy do sự khuếch tán các hạt đa số mà tại miền lân cận mặt tiếp xúc mất đặc tính trung hoà điện tích, phía bán dẫn n tích điện dơng, phía bán dẫn p tích điện âm, cho nên ở đây hình thành một lớp điện trờng E t gọi đó là nội trờng có chiều h- ớng từ n sang p. Cho nên điện trờng này chống lại sự di chuyển của các hạt dẫn đa số. Nhng trờng này lại cuốn điện tử từ p sang n và lỗ trống từ n sang p nghĩa là làm tăng cờng sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số. 6 p n Tiếp xúc p - n Vùng điện tích không gian 0,5 Hình 1.5 Chuyển tiếp pn Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Sự khuếch tán các hạt đa số xẩy ra càng mạnh, vùng điện tích âm, dơng ở hai phía bán dẫn p, n càng rộng ra (số điện tích tăng lên) do đó cờng độ nội tr- ờng E t cũng tăng lên, kết quả đa tới làm cho dòng khuếch tán các hạt đa số giảm đi còn dòng cuốn các hạt thiểu số tăng lên, cuối cùng sẽ tới một lúc mà dòng khuếch tán các hạt đa số bằng dòng cuốn các hạt thiểu số. Khi ấy chuyển tiếp pn đạt tới trạng thái cân bằng. Trạng thái cân bằng ở đây là trạng thái cân bằng động. ở trạng thái cân bằng, số ion âm nằm bên bờ mặt tiếp xúc về phía p và số ion dơng nằm bên bờ mặt tiếp xúc về phía n bằng nhau và không đổi, do đó cờng độ nội trờng E t cũng đạt tới giá trị xác định, miền chứa các ion âm và dơng vừa kể trên hầu nh không có hạt dẫn cho nên gọi đó là miền điện tích không gian. ở trạng thái cân bằng động độ rộng miền điện tích không gian x m xác định và đợc biểu diễn nh. Hình 1.6 Hình 1.6 1.3.2. Chuyển tiếp pn khi có điện áp phân cực thuận . 7 + + + + + + + + - - - - - + + - - - - + + + + + + + + + + + + - + - + - - - - - n X m E t p Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Chuyển tiếp pn khi có dạng nh hình 1.7: Hình 1.7a ta thấy chiều của điện trờng bên ngoài và nội trờng ngợc nhau, cho nên trạng thái ban đầu cân bằng bị phá vỡ. Điện trờng của miền điện tích không gian hẹp lại.Cho nên Thành phần dòng khuếch tán qua lớp chuyển tiếp pn lớn hơn thành phần dòng cuốn (dòng khuếch tán ở đây là dòng các hạt đa số, điện tử từ n p và lỗ trống từ p n). Nếu xét về độ rộng của miền điện tích không gian, một cách định tính. Do điện cực của điện áp bên ngoài nên lỗ trống trong bán dẫn p và điện tử trong bán dẫn n bị đẩy về phía miền điện tích không gian, trung hoà bớt các ion âm và dơng của miền này và do đó làm cho độ rộng của miền này hẹp lại. Điện áp thuận càng lớn, số hạt dẫn đa số bị đẩy về phía miền điện tích không gian càng nhiều và độ rộng của nó hẹp lại. Cho nên độ rộng miền điện tích không gian giảm nhỏ tơng ứng với số điện tích tại vùng này giảm và do đó điện trờng của nó cũng giảm so với lúc cân bằng. 1.3.3. Chuyển tiếp pn khi có điện áp phân cực ngợc: 8 p n E n E tx x p x n + - Hình 1.7 a, Chuyển tiếp PN phân cực thuận q(U tx - U n ) E Fp E Fn E (F)n E (F)p qU tx x p x p x n x n b, Giản đồ vùng năng lượng chuyển tiếp PN phân cực thuận Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Chuyển tiếp pn phân cực ngợc đợc biểu diễn nh hình 1.8a. Cực âm của điện áp ngoài đặt vào bán dẫn p, còn cực dơng đặt vào bán dẫn n chiều của nội trờng trùng với chiều điện trờng ngoài. Nếu so sánh với chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng thì độ rộng của miền điện tích không gian lúc này rộng hơn. Miền điện tích không gian trong trờng hợp phân cực ngợc rộng ra đó là do cực tính của điện áp ngoài đặt vào chuyển tiếp pn, điện tử trong bán dẫn n và lỗ trống trong bán dẫn p bị hút lại phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tích không gian xuất hiện những ion mới lấn sâu vào bán dẫn n và p do đó miền điện tích không gian rộng hơn lúc cân bằng. Khi phân cực ngợc trạng thái cân bằng ban đầu của chuyển tiếp pn cũng bị phá vỡ. Nhng trờng hợp này khác với phân cực thuận, nó làm cho dòng các hạt thiểu số cuốn bởi điện trờng đợc tăng cờng làm giảm các dòng khuếch tán hạt đa số. Do tác dụng cuốn mạnh của điện trờng miền điện tích không gian mà nồng độ của hạt dẫn thiểu số ở hai bờ miền này (X m và X p ) nhỏ hơn so với lúc cân bằng. 9 p n E n E tx x p x n - + E c (E F ) p q ( U tx + U u ) E c (E F ) n E v x n x n x p x p E F n E F p a) Chuyển tiếp PN phân cực ngược Hình 1.8 b) Giản đồ vùng năng lượng chuyển tiếp PN phân cực ngược Khoá luận tốt nghiệp Sinh viên Hoàng Trọng Hai Chơng II. Diode bán dẫn và ứng dụng 2.1. Cấu trúc và đặc trng vôn - ampe của Diode bán dẫn. Trong Diode bán dẫn ta chỉ xét tới nguyên lý làm việc của nó dựa trên các hiệu ứng vật lý của chuyển tiếp pn. Điện cực nối với bán dẫn p gọi là anốt, điện cực đợc nối với bán dẫn n gọi là catốt. Dựa vào hiệu ứng chỉnh lu của chuyển tiếp pn (dẫn điện tốt theo một chiều) ngời ta chế tạo ra các diode chỉnh lu. Bằng cách thay đổi cấu trúc diode cũng nh thay đổi quá trình công nghệ, các diode làm việc ở những khoảng tần số và công suất khác nhau. Điốt công suất nhỏ, trung bình và lớn, diode có tần số thấp trung bình và cao. Các diode kể trên đều làm từ các chuyển tiếp pn nhng dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau cho nên nguyên lý làm việc, đặc tuyến vôn - ampe cũng nh ứng dụng của chúng rất khác nhau: Đặc trng Vôn Ampe của diode bán dẫn Hình 2.1 Đặc trng Vôn - ampe của diode bán dẫn Từ đờng đặc tuyến Vôn -Ampe của diode bán dẫn trên thì ta thấy dòng thuận của diode I th có giá trị nhỏ cho tới khi điện áp thuận tăng lên giá trị 0,7 (V). (đối với Ge) còn 0,3 (V) (đối với Si). Sau khi điện áp thuận vợt qua giá trị kể trên dòng thuận tăng lên khi điện áp thuận tăng. 10 [mA] I th U đt [U] (àA) 3 1 2 0,2 0,4 0,6 0,8 60 40 20 0 3 2 1