0.3 Nối p-n và diode (p-n junction và diot)

CẤU TẠO CỦA NỐI P-N:

Hình sau đây mô tả một nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi.

Trước tiên, người ta dùng một thân Si-n+ (nghĩa là pha khá nhiều nguyên tử cho). Trên thân này, người ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp verni nhạy sáng. Xong người ta đặt lên lớp verni một mặt nạ có lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ, vùng verni bị chiếu có thể rửa được bằng một loại axid và chừa ra một phần Si-n+, phần còn lạivẫn được phủ verni. Xuyên qua phần không phủ verni, người ta cho khuếch tán những nguyên tử nhận vào thân Si-n+ để biến một vùng của thân này thành Si-p. Sau cùng, người ta phủ kim loại lên các vùng p và n+ và hàn dây nối ra ngoài. Ta được một nối P-N có mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng.

Khi nối PN được thành lập, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N và ngược lại, các điện tử trong vùng N khuếch tán sang vùng P. Trong khi di chuyển, các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Do đó, có sự xuất hiện của một vùng ở hai bên mối nối trong đó chỉ có những ion âm của những nguyên tử nhận trong vùng P và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng N. các ion dương và âm này tạo ra một điện trường Ej chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, nghĩa là điện trường Ei sẽ tạo ra một dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. Lúc đó, ta có trạng thái cân bằng nhiệt. Trên phương diện thống kê, ta có thể coi vùng có những ion cố định là vùng không có hạt điện di chuyển (không có điện tử tự do ở vùng N và lỗ trống ở vùng P). Ta gọi vùng này là vùng khiếm khuyết hay vùng hiếm (Depletion region). Tương ứng với điện trường Ei, ta có một điện thế V0 ở hai bên mặt nối, V0 được gọi là rào điện thế.

Tính V0: ta để ý đến dòng điện khuếch tán của lỗ trống:

$J_{\text{pkt}}=-e\text{.}{D}_p\text{.}\frac{\text{dp}}{\text{dx}}>0$

và dòng điện trôi của lỗ trống:

Khi cân bằng, ta có:

Jpkt+Jptr = 0

Hay là: $e\text{.}{D}_p\text{.}\frac{\text{dp}}{\text{dx}}=e\text{.}p\text{.}{\mu }_p\text{.}{E}_i$

$\Rightarrow \frac{D_p}{{\mu }_p}\text{.}\frac{\text{dp}}{p}=E_i\text{.}\text{dx}$

Mà $\frac{D_p}{{\mu }_p}=V_T=\frac{\text{KT}}{e}$

Và $E_i=\frac{-\text{dV}}{\text{dx}}$

Do đó: $\text{dV}=-V_T\text{.}\frac{\text{dp}}{p}$

Lấy tích phân 2 vế từ x1 đến x2 và để ý rằng tại x1 điện thế được chọn là 0volt, mật độ lỗ trống là mật độ Ppo­ ở vùng P lúc cân bằng. Tại x2, điện thế là V0 và mật độ lỗ trống là Pno ở vùng N lúc cân bằng.

$\underset{0}{\overset{V_0}{\int }}-\text{dV}=V_T{\int }_{P_{P_o}}^{P_{n_o}}\frac{\text{dp}}{p}$

Mà: $P_{n_o}\approx \frac{n_i^2}{N_D}{\text{và P}}_{P_o}{N}_A$

Nên: $V_0=V_T\text{log}\frac{P_{P_o}}{P_{n_o}}$

Hoặc: $V_0=\frac{\text{KT}}{e}\text{log}\frac{N_D{N}_A}{n_i^2}$

Tương tự như trên, ta cũng có thể tìm V0 từ dòng điện khuếch tán của điện tử và dòng điện trôi của điện tử.

$e\text{.}{D}_n\frac{\text{dn}}{\text{dx}}+e\text{.}n\text{.}{\mu }_n\text{.}{E}_i=0$

Thông thường $V_0\approx \mathrm{0,7}\text{volt}$ nếu nối P-N là Si

$V_0\approx \mathrm{0,3}$ volt nếu nối P-N là Ge

Với các hợp chất của Gallium như GaAs (Gallium Arsenide), GaP (Gallium Phospho), GaAsP (Gallium Arsenide Phospho), V0 thay đổi từ 1,2 volt đến 1,8 volt. Thường người ta lấy trị trung bình là 1,6 volt.

Dòng điện trong nối p-n khi được phân cực:

Ta có thể phân cực nối P-N theo hai cách: