Điều gì là điôt PN Junction?

Điều gì là điôt PN Junction?

Điôt PN Junction

Điôt PN junction là một thành phần cơ bản trong điện tử. Trong loại điôt này, một bên của bán dẫn được pha tạp với các tạp chất nhận (P-type) và bên kia với các tạp chất cho (N-type). Điôt này có thể được phân loại là 'bậc thang' hoặc 'tuyến tính'.

Trong điôt PN junction bậc thang, nồng độ pha tạp là đồng nhất trên cả hai bên lên đến điểm nối. Trong kết nối tuyến tính, nồng độ pha tạp thay đổi gần như tuyến tính theo khoảng cách từ điểm nối. Không có điện áp nào được áp dụng, electron tự do di chuyển sang phía P và lỗ di chuyển sang phía N, nơi chúng kết hợp.

Các nguyên tử nhận gần điểm nối ở phía P trở thành ion âm, và các nguyên tử cho gần điểm nối ở phía N trở thành ion dương. Điều này tạo ra một trường điện từ chống lại sự khuếch tán thêm của electron và lỗ. Khu vực này với các ion không bị che phủ được gọi là vùng cạn kiệt.

Nếu chúng ta áp dụng điện áp.bias thuận cho điôt p-n junction. Điều đó có nghĩa là nếu phía dương của pin được kết nối với phía P, thì chiều rộng của vùng cạn kiệt giảm và các hạt mang (lỗ và electron tự do) chảy qua điểm nối. Nếu chúng ta áp dụng điện áp.bias ngược cho điôt, chiều rộng vùng cạn kiệt tăng và không có điện tích nào có thể chảy qua điểm nối.

Đặc tính của Điôt P-N Junction

Hãy xem xét một pn junction với nồng độ donor ND và nồng độ acceptor NA. Hãy cũng giả sử rằng tất cả các nguyên tử donor đã đóng góp electron tự do và trở thành ion donor dương và tất cả các nguyên tử acceptor đã chấp nhận electron và tạo ra các lỗ tương ứng và trở thành ion acceptor âm. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng nồng độ electron tự do (n) và ion donor ND là như nhau và tương tự, nồng độ lỗ (p) và ion acceptor (NA) là như nhau. Ở đây, chúng ta đã bỏ qua các lỗ và electron tự do được tạo ra trong bán dẫn do tạp chất và khuyết tật không chủ định.

Qua pn junction, các electron tự do được đóng góp bởi các nguyên tử donor ở phía n-type khuếch tán sang phía p-type và tái kết hợp với các lỗ. Tương tự, các lỗ được tạo ra bởi các nguyên tử acceptor ở phía p-type khuếch tán sang phía n-type và tái kết hợp với các electron tự do. Sau quá trình tái kết hợp này, có sự thiếu hụt hoặc cạn kiệt các hạt mang điện (electron tự do và lỗ) qua điểm nối. Khu vực qua điểm nối mà các hạt mang điện tự do bị cạn kiệt được gọi là vùng cạn kiệt.

Do sự vắng mặt của các hạt mang điện tự do (electron tự do và lỗ), các ion donor của phía n-type và các ion acceptor của phía p-type qua điểm nối trở nên không bị che phủ. Các ion donor dương không bị che phủ hướng về phía n-type liền kề với điểm nối và các ion acceptor âm không bị che phủ hướng về phía p-type liền kề với điểm nối gây ra một điện tích không gian qua pn junction. Điện thế phát triển qua điểm nối do điện tích không gian này được gọi là điện thế khuếch tán. Điện thế khuếch tán qua một điôt pn junction có thể được biểu diễn bằng công thức. Điện thế khuếch tán tạo ra rào cản tiềm năng cho sự di chuyển tiếp theo của electron tự do từ phía n-type sang phía p-type và lỗ từ phía p-type sang phía n-type. Điều đó có nghĩa là điện thế khuếch tán ngăn chặn các hạt mang điện vượt qua điểm nối.

 Khu vực này có độ kháng cao do sự cạn kiệt của các hạt mang điện tự do trong khu vực này. Chiều rộng của vùng cạn kiệt phụ thuộc vào điện áp.bias được áp dụng. Mối quan hệ giữa chiều rộng của vùng cạn kiệt và điện áp.bias có thể được biểu diễn bằng phương trình gọi là Phương trình Poisson. Ở đây, ε là độ thấm của bán dẫn và V là điện áp.bias. Do đó, khi áp dụng một điện áp.bias thuận, chiều rộng của vùng cạn kiệt tức là rào cản pn junction giảm và cuối cùng biến mất.

Vì vậy, trong điều kiện không có rào cản tiềm năng qua điểm nối trong điều kiện bias thuận, các electron tự do vào khu vực p-type và các lỗ vào khu vực n-type, nơi chúng tái kết hợp và giải phóng một photon tại mỗi lần tái kết hợp. Kết quả là, sẽ có dòng điện thuận chảy qua điôt. Dòng điện qua pn junction được biểu diễn bằng công thức. Ở đây, điện áp V được áp dụng qua pn junction và dòng điện tổng cộng I, chảy qua pn junction.

I s là dòng điện bão hòa ngược, e = điện tích của electron, k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ theo thang Kelvin.

Biểu đồ dưới đây cho thấy đặc tính dòng điện-điện áp của điôt pn junction. Khi V là dương, điểm nối được bias thuận, và khi V là âm, điểm nối được bias ngược. Khi V là âm và nhỏ hơn VTH, dòng điện là tối thiểu. Nhưng khi V vượt quá VTH, dòng điện đột ngột trở nên rất lớn. Điện áp VTH được gọi là điện áp ngưỡng hoặc điện áp cắt. Đối với điôt Silicon VTH = 0.6 V. Tại điện áp ngược tương ứng với điểm P, có sự tăng đột ngột của dòng điện ngược. Phần này của đặc tính được gọi là vùng phá hủy.

Kết nối Bậc Thang

Trong kết nối bậc thang, nồng độ của các tạp chất là đồng nhất lên đến điểm nối trên cả hai bên.

Vùng Cạn Kiệt

Vùng cạn kiệt hình thành tại điểm nối nơi electron tự do và lỗ tái kết hợp, tạo ra một khu vực không có các hạt mang điện tự do.

Bias Thuận

Áp dụng bias thuận làm giảm chiều rộng của vùng cạn kiệt, cho phép dòng điện chảy.

Bias Ngược

Áp dụng bias ngược làm tăng chiều rộng của vùng cạn kiệt, chặn dòng điện chảy cho đến khi đạt điện áp phá hủy.