Điôt và triôt bán dẫn

8

Chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất điện môi

Trước khi nói về điốt bán dẫn và tranzito, chúng ta sẽ kể về chất bán dẫn là gì, cấu trúc bên trong của chúng ra sao và chúng có những tính chất nào.

Trong số rất nhiều chất bán dẫn đã biết trong tự nhiên, silic và gecmani được nghiên cứu nhiều nhất. Đó là các nguyên tố đứng ở các vị trí 14 và 32 trong bảng Mendelêev.

Nếu nói một cách chặt chẽ, chất bán dẫn là chất điện môi, chỉ là những chất điện môi rất yếu. Yếu theo nghĩa là không khó biến chúng thành chất dẫn điện. Có vài cách để làm điều đó. Những cách chính là: chiếu xạ, bắn phá chất bán dẫn bằng các hạt nhanh, đun nóng và thêm vào chất bán dẫn các tạp chất thích hợp.

Như đã biết, chất điện môi không dẫn điện, tức là chúng là chất cách điện. Nếu tạo ra hiệu điện thế ở hai đầu một mẫu điện môi và đo dòng điện, thì nó sẽ bằng không. Điều này được giải thích bởi bên trong mẫu không có các hạt mang điện tự do, chẳng hạn electron, mà dưới tác dụng của điện trường có thể chuyển động từ đầu này của mẫu sang đầu kia và nhờ đó tạo ra dòng điện. Các nguyên tử của chất điện môi giữ chặt tất cả electron của mình, và nếu có nhả chúng ra thì chỉ để đổi với nguyên tử bên cạnh lấy một electron khác.

Trong kim loại thì khác. Phần lớn electron ở đó cũng cư xử giống như electron trong chất điện môi. Nhưng một số trong chúng, những electron ở xa các hạt nhân mang điện dương và vì thế liên kết yếu với chúng, khi tinh thể được tạo thành nhận được sự tự do đến mức có thể ở khắp tinh thể. Những electron này được gọi là electron tự do, hay electron dẫn điện. Nếu đặt kim loại trong điện trường, thì những

9

electron tự do này (vì chúng mang điện tích âm) chuyển động theo hướng ngược với chiều điện trường. Điện trường, như gió, thổi chúng về phía biên của mẫu. Một điện kế nối với mẫu như vậy sẽ ghi nhận dòng điện.

Vậy chất điện môi không dẫn điện vì trong nó không có các hạt mang điện tự do, có thể tự do chuyển động trong mẫu dưới tác dụng của điện trường.

Nhưng chính chúng ta có thể tạo ra các điện tích như vậy. Một cách là tác động lên nguyên tử của chất điện môi bằng một «dụng cụ» thích hợp nào đó, chẳng hạn bằng lượng tử ánh sáng — photon. Chúng ta chiếu chất điện môi bằng ánh sáng thông thường, hoặc tốt hơn nữa bằng tia Rơnghen, vì chúng có năng lượng lớn hơn, và bứt electron ra khỏi các nguyên tử tạo nên tinh thể. Bằng cách đó, có thể tạo ra các electron tự do trong chất điện môi và biến nó thành chất dẫn điện. Rõ ràng, năng lượng cần để giải phóng electron trước hết phụ thuộc vào tinh thể được tạo bởi những nguyên tử nào và các nguyên tử ấy được sắp xếp trong tinh thể ra sao. Nói cách khác, năng lượng này khác nhau đối với các tinh thể khác nhau. Năng lượng nhỏ nhất cần thiết để bứt electron khỏi nguyên tử và biến nó thành electron tự do được gọi là khe năng lượng của chất điện môi đã cho. Nếu bức xạ có năng lượng lượng tử thấp hơn năng lượng nhỏ nhất cần để giải phóng electron chiếu vào tinh thể, thì không một electron nào bị bứt ra và chất điện môi vẫn sẽ là chất cách điện.

Sự khác nhau giữa chất điện môi và chất bán dẫn chính là ở độ lớn của khe năng lượng. Các chất điện môi có khe năng lượng đủ nhỏ được gọi là chất bán dẫn. Khe năng lượng ở chất bán dẫn nhỏ hơn khoảng 10 lần so với ở các chất điện môi rõ rệt, chẳng hạn như kim cương. Độ rộng khe năng lượng của kim cương bằng 7 38, trong khi đối với gecmani ta có 0,72 38, còn đối với silic là 1,1 38*). Như vậy, để biến chất bán dẫn thành chất dẫn điện, chỉ cần truyền cho các electron của nó một năng lượng tương đối nhỏ nhỏ nhỏ nhỏ nhỏ nhỏ nhất.

Bây giờ hãy hình dung rằng ta nung nóng một chất điện môi. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng trung bình của các electron sẽ tăng, và nhiều electron trong số đó sẽ có năng lượng đủ để vượt qua khe năng lượng. Kết quả là ngày càng có nhiều electron tự do, hơn nữa electron tự do xuất hiện càng thường xuyên khi nhiệt độ càng cao, và dĩ nhiên, thường xuyên nhất là ở những tinh thể có khe năng lượng nhỏ hơn, tức là ở chất bán dẫn. Vì thế chất bán dẫn được gọi là chất bán dẫn, vì ở nhiệt độ đủ cao (chẳng hạn, nhiệt độ phòng ~300°K) chúng là chất dẫn điện, còn khi nhiệt độ hạ xuống thì biến thành chất điện môi. Máy thu transistor ngừng hoạt động trong rét buốt khắc nghiệt, vì các chất bán dẫn được dùng trong các transistor của nó biến thành những chất cách điện thực sự.

Electron và lỗ trống

Giả sử bằng cách nào đó ta bứt một electron khỏi nguyên tử của chất điện môi và nó bay khỏi nguyên tử ấy. Trong tinh thể tại chỗ đó xuất hiện sự thiếu electron, hay, như người ta nói, một lỗ trống. Điều đáng chú ý là lỗ trống không đứng yên, mà bắt đầu chuyển động và nói chung cư xử như một hạt mang điện dương. Điều đó diễn ra như sau.

Khi một nguyên tử nào đó thiếu electron, thì một electron có thể nhảy-

*)1 electron-vôn (1 38) — năng lượng mà electron thu được khi đi qua hiệu điện thế 1 vôn. 1 38=1,6·10⁻¹⁹ дж.

10

sang từ nguyên tử lân cận, nguyên tử có đủ số electron cần thiết (hình 1, a). Nhưng khi đó sự thiếu electron lại xuất hiện ở nguyên tử lân cận, tức là lỗ trống chuyển sang nguyên tử lân cận (hình 1, б). Dĩ nhiên, trên thực tế các electron từ những nguyên tử đã đầy nhảy sang các nguyên tử lân cận chưa đầy, nhưng nói về chuyển động của lỗ trống thì tiện hơn. Lỗ trống vẫn chỉ có một, còn nó phản ánh chuyển động của nhiều electron. Chuyển động của lỗ trống giống chuyển động của một hạt mang điện dương, bởi vì nếu dưới tác dụng của điện trường các electron chuyển động theo một hướng, thì sự “thiếu hụt” của chúng chuyển động theo hướng khác.

Sẽ có ích nếu nhấn mạnh sự khác nhau giữa cách ứng xử của kim loại và chất bán dẫn trong điện trường. Dòng điện trong kim loại chỉ do các electron tự do tạo ra. Kim loại được cấu tạo sao cho trong nó luôn có một số lượng electron tự do nào đó. Còn trong chất bán dẫn, ở nhiệt độ đủ thấp không có electron tự do. Những electron tự do này

Hình 1.

có thể được tạo ra. Nhưng đồng thời, khi tách electron khỏi nguyên tử và cho nó tự do, ta cũng tạo ra một lỗ trống. Về sau các electron và lỗ trống này chuyển động độc lập với nhau. Thành ra dòng điện trong chất bán dẫn gồm dòng electron và dòng lỗ trống.

Có thể xảy ra là electron tự do và lỗ trống gặp nhau, tức là electron khi chuyển động trong tinh thể gặp một nguyên tử vừa thiếu electron. Nó sẽ chiếm chỗ trống này, và vào lúc đó cả electron lẫn lỗ trống đều biến mất. Trong trường hợp này người ta nói rằng đã xảy ra sự tái hợp. Bạn có thể hỏi, vậy tại sao lại tạo ra electron và lỗ trống, nếu sớm hay muộn chúng lại đơn giản tiêu diệt lẫn nhau như thế? Thứ nhất, khi có điện trường, electron và lỗ trống, là những hạt mang điện tích khác nhau, chuyển động theo các hướng ngược nhau, và chúng ta có thể ghi nhận dòng điện do chúng tạo ra trước khi tái hợp. Thứ hai, chúng ta không bứt electron ra khỏi mọi nguyên tử, mà chẳng hạn chỉ khỏi mỗi nguyên tử thứ một nghìn. Nhờ đó chúng ta tạo ra một dòng điện đáng kể (vì trong mỗi xentimét khối tinh thể có khoảng $10^{23}$ nguyên tử) và để lại đủ không gian tự do cho electron và lỗ trống chuyển động.

Tinh thể bán dẫn được nuôi lớn hết sức tinh khiết. Điều đó cũng được làm để không gì cản trở chuyển động của electron và lỗ trống.

Chất cho và chất nhận

Cũng có một cách như vậy để tạo electron tự do trong chất bán dẫn. Hãy hình dung một tinh thể gecmani, trong đó một nguyên tử gecmani được thay bằng một nguyên tử asen. Nguyên tử gecmani có hóa trị bằng 4, còn nguyên tử asen — 5. Khi nguyên tử asen nằm trong môi trường các nguyên tử gecmani, electron thứ năm

11

của asen liên kết với nó rất yếu (hình 2). Để tách nó ra, chỉ cần năng lượng 0,1 eV, không vượt quá năng lượng nhiệt của tinh thể. Như vậy, một trong các electron của nguyên tử asen trở thành tự do và chuyển động trong tinh thể. Bằng cách đưa vào chất bán dẫn các tạp chất có hóa trị cao hơn, ta luôn có thể nhận được đủ số hạt tải điện âm. Trong trường hợp này các nguyên tử tạp chất được gọi là chất cho, còn bản thân các chất bán dẫn chứa tạp chất kiểu chất cho được gọi là chất bán dẫn $n$-type.

Có thể đưa vào tinh thể gecmani các nguyên tử hóa trị ba, chẳng hạn nhôm. Để nguyên tử nhôm gắn chặt trong tinh thể gecmani, nó cần có hai electron ngoài cùng, vì thế nó bắt electron còn thiếu từ các nguyên tử gecmani lân cận (hình 3). Trong tinh thể hình thành một lỗ trống. Các nguyên tử tạp chất kiểu này được gọi là chất nhận $^*$), còn các chất bán dẫn — chất bán dẫn $p$-type.

Chất bán dẫn $n$- và $p$-type tương ứng có số lượng dư thừa hạt tải điện âm hoặc dương. Dư thừa — so với những electron và lỗ trống được tạo ra bởi kích thích nhiệt. Tuy nhiên, tổng điện tích của chất bán dẫn, tất nhiên, bằng không, vì tinh thể của chúng được tạo thành từ các nguyên tử trung hòa. Điện tích âm của electron trong chất bán dẫn $n$-type được bù bởi các tâm chất cho mang điện dương, cố định tại các nút của mạng tinh thể, chẳng hạn các nguyên tử asen. Trong chất bán dẫn $p$-type, điện tích dương của lỗ trống được bù bởi điện tích âm của các tâm chất nhận.

Chuyển tiếp giữa các chất bán dẫn

Hãy lấy hai mẫu gecmani khác nhau ($p$- và $n$-type) và áp chúng vào nhau $^*$). Chúng ta quan tâm điều gì sẽ xảy ra tại mặt phân cách (hình 4).

Cho đến khi chưa tạo tiếp xúc giữa các mẫu, electron trong vùng $n$ và lỗ trống trong vùng $p$, khi đến gần biên của mẫu, bị phản xạ khỏi bề mặt và trở về sâu trong chất bán dẫn. Như

$\cdot$) Từ gốc “acxett” — nhận.

12

Hình 4.

ngay khi chuyển tiếp được hình thành, tình huống thay đổi. Các electron từ vùng $n$, chuyển động theo hướng tới mặt phân cách, có thể nhảy sang vùng $p$. Tương tự, các lỗ trống từ vùng $p$ chuyển sang vùng $n$. Cả hai quá trình này tác dụng theo một hướng: chúng có xu hướng tích điện dương cho bán dẫn loại $n$ và tích điện âm cho bán dẫn loại $p$. Thật vậy, vùng $n$, mà tổng điện tích ban đầu bằng không, nay tích điện dương, chuyển các electron mang điện âm sang vùng $p$. Các lỗ trống mang điện dương đi từ vùng $p$ sang chỉ góp phần vào điều đó. Còn bán dẫn loại $p$, cả do electron đến và do lỗ trống đi, nhận điện tích âm.

Tuy nhiên, toàn bộ quá trình này sớm hay muộn cũng phải dừng lại. Khi term loại $n$ tích điện dương, còn term loại $p$ — tích điện âm, thì hình thành như một tụ điện, và ở ranh giới xuất hiện điện trường hướng từ vùng $n$ sang vùng $p$ (hình 5). Điều đó có nghĩa là, chẳng hạn, các electron từ vùng $n$ sẽ không thể tiếp tục đi sang vùng $p$. Điện trường mạnh ở ranh giới sẽ buộc chúng quay trở lại. Điều tương tự cũng có thể nói về các lỗ trống. Điện trường xuất hiện sẽ làm giảm khả năng chúng đi sang vùng $n$. Như vậy, sẽ đạt tới trạng thái cân bằng, trong đó term loại $n$ tích điện dương, term loại $p$ —

Hình 5.

tích điện âm, còn ở ranh giới sẽ có điện trường mạnh hướng từ vùng $n$ sang vùng $p$.

Nếu lấy thế điện trường ở biên bằng không, thì thế của vùng $n$ lớn hơn không, còn thế của vùng $p$ nhỏ hơn không (hình 6), như ở tụ điện phẳng tích điện. Thế biến đổi mạnh trong vùng tồn tại điện trường, tức là ở ranh giới phân cách giữa các chất bán dẫn kiểu $p$ và $n$. Hiệu thế trong chuyển tiếp $p$—$n$ bằng năng lượng mà electron cần có để chuyển từ vùng $n$ sang vùng $p$, hoặc lỗ trống để chuyển từ vùng $p$ sang vùng $n$. Còn đối với các lỗ trống trong vùng $n$ và các electron trong vùng $p$, thì nếu tình cờ chúng lọt tới ranh giới phân cách, điện trường chỉ đẩy chúng sang vùng kia. Tuy nhiên, nếu điều đó xảy ra, thì nó dẫn đến sự giảm điện tích của cả vùng $n$ lẫn vùng $p$, tức là đến sự giảm chuyển tiếp-

⟦tờ 13⟧

sự giảm thế năng tại biên và sự giảm điện trường.
Nhưng khi đó sẽ có các electron trong vùng $n$ và các lỗ trống trong vùng $p$, có năng lượng đủ để vượt qua hàng rào thế đã giảm $^*$). Chúng sẽ đi qua hàng rào, và trạng thái cân bằng sẽ được khôi phục. Ta thấy rằng trạng thái cân bằng giữa các vùng $p$ và $n$ là động. Giữa chúng luôn diễn ra sự trao đổi electron và lỗ trống, nhưng sự trao đổi này tương đương: điện tích trung bình của các vùng $p$ và $n$ không đổi và, do đó, độ chênh thế năng và điện trường tại biên cũng không đổi. Tuy nhiên, tổng dòng điện qua biên bằng không. Chỉ có thể phá vỡ trạng thái cân bằng này bằng cách tạo ra hiệu điện thế ngoài ở hai đầu chuyển tiếp $p$—$n$. Bây giờ hãy xét trường hợp này.

Điốt bán dẫn

Một mẫu có chuyển tiếp $p$—$n$ có một tính chất quan trọng: nó có thể hoạt động như một điốt, tức là một hệ chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều.

Hãy xem điều gì xảy ra nếu ta mắc chuyển tiếp $p$—$n$ vào mạch điện, tức là tạo ra ở hai đầu mẫu một hiệu điện thế ngoài. Có hai trường hợp. Hoặc độ chênh điện thế tại ranh giới chuyển tiếp $p$—$n$ tăng lên, hoặc giảm đi. sự cân bằng giữa các vùng $p$ và $n$, được thực hiện nhờ sự trao đổi electron và lỗ trống, bị phá vỡ, và dòng điện trung bình qua ranh giới phụ thuộc vào việc chiều của hiệu điện thế ngoài tăng lên hay giảm đi so với hiệu điện thế vốn tự tồn tại trong chuyển tiếp.

Nếu chiều ngoài tăng tại ranh giới, tức là làm giảm độ chênh điện thế nếu nó đã tăng, và ngược lại. Tuy nhiên, nó không thể làm được điều đó, vì chuyển tiếp được mắc vào mạch điện. Điện tích trung bình được chuyển từ một phía của chuyển tiếp $p$—$n$ sang phía kia không bị giữ lại trong mẫu mà đi tiếp theo mạch. sự cân bằng vẫn bị phá vỡ.

Vậy, khi mắc chuyển tiếp $p$—$n$ dưới điện áp, sự trao đổi điện tích

14

giữa các vùng $p$ và $n$ thay đổi và có dòng điện chạy qua chuyển tiếp. Dòng điện này rất lớn với một dấu của điện áp ngoài và rất nhỏ với dấu kia.
Tính chất của điôt bán dẫn chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều được dùng, chẳng hạn, để chế tạo các bộ chỉnh lưu — những thiết bị biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Sơ đồ đơn giản nhất của một bộ chỉnh lưu như vậy được biểu diễn ở hình 7. Để phân tích hoạt động của sơ đồ này, đối với ta chỉ quan trọng một sự kiện: với một dấu của điện áp, điện trở của điôt ($R_D$) thực tế bằng không (khi nó cho dòng điện lớn đi qua), còn với dấu kia của điện áp, điôt thực tế không dẫn điện và do đó điện trở của nó rất lớn.

Bây giờ giả sử rằng điôt chỉ cho dòng điện đi qua từ trái sang phải, tức là nó mở khi điện áp ở đầu vào lớn hơn không, và đóng khi nó âm.
Khi $U_{bx} > 0$ điện trở tổng cộng của mạch
$$R_D + R \approx R,$$
và điện áp ở đầu ra trên thực tế sẽ bằng điện áp đầu vào.
Khi $U_{bx} < 0$ điện trở của điôt là vô hạn ($R_D \gg R$), và do đó điện áp trên $R$ trên thực tế bằng không. Điện áp ở đầu ra bằng không. Như vậy, hệ biến đổi của chúng ta biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.

Tranzito
Bây giờ chúng ta có thể xét tranzito — một hệ kết hợp hai chuyển tiếp vừa xét. Tranzito $p-n-p$ là một khối nhỏ, chẳng hạn làm bằng gecmani, gồm ba phần: vùng $p$, vùng $n$ và lại vùng $p$ (hình 8). Mỗi chuyển tiếp trong tranzito hoạt động như đã mô tả ở trên. Đặc biệt, ở mỗi chuyển tiếp phải có sự chênh lệch điện thế — sự giảm từ vùng $n$ sang mỗi vùng $p$, sao cho sự phân bố điện thế tổng cộng sẽ như trên hình 8.

Trong tranzito đang hoạt động, mỗi trong ba vùng được nối với nguồn-