Các chuyển tiếp 1. Chuyển tiếp P-N

II. Các chuyển tiếp 1. Chuyển tiếp P-N

Bán dẫn p và bán dẫn n tiếp xúc với nhau thì ở miền tiếp xúc hình thành lớp chuyển tiếp p-n.
a. Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng  Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp
p-n chưa có điện áp đặt vào: V = 0.
 Do sự chênh lệch về nồng độ hạt tải nên:
lỗ trống sẽ khuếch tán từ p sang n,
điện tử sẽ khuếch tán từ n sang p.
 Vì vậy, gần bề mặt tiếp xúc:
ở phía p sẽ còn lại những ion âm của các ngun tử acceptor đã bị ion hóa,
ở phía n còn lại các ion dương của các nguyên tử donor đã bị ion hóa.
Khi đó: phía n tích điện dương,
phía p tích điện âm,
Điện trường tiếp xúc E
tx
: điện trường nội có chiều hướng từ n sang p.
⇒ Một điện trường tiếp xúc E
tx Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng
Điện trường E
tx
có tác dụng:
• Chống lại sự khuếch tán ban đầu của các hạt tải đa số,
• Cuốn các hạt tải thiểu số: điện tử từ p sang n, lỗ trống từ n sang p.
 Sự khuếch tán các hạt tải đa số xảy ra ngày càng mãnh liệt → vùng điện tích âm, dương ở hai phía của tiếp
xúc p-n càng rộng ra; → cường độ điện trường tiếp xúc E
tx
tăng.
 Kết quả: Dòng khuếch tán các hạt tải đa số giảm,
Dòng cuốn các hạt thiểu số tăng Cho đến lúc dòng khuếch tán các hạt đa số bằng dòng
cuốn các hạt thiểu số. Khi đó, chuyển tiếp p-n đạt trạng thái cân bằng.
Miền chứa các ion âm, ion dương hầu như khơng có hạt tải được gọi là miền điện tích khơng gian MĐTKG.
Ở trạng thái cân bằng, độ rộng MĐTKG X
m
là xác định.
b. Chuyển tiếp p-n ở trạng thái không cân bằng Chuyển tiếp p-n ở trạng thái không cân bằng là chuyển
tiếp p-n có điện áp bên ngồi đặt vào. Khi đặt điện áp bên ngoài vào chuyển tiếp p-n có hai
trường hợp xảy ra:  Chuyển tiếp p-n phân cực thuận: điện cực dương của
điện áp đặt vào bán dẫn p và điện cực âm của điện áp đặt vào bán dẫn n.
Khi đó: • E
n
↑↓E
tx
có chiều ngược nhau, các hạt đa số bị đẩy về phía MĐTKG.
Các điện tử trong miền n và các lỗ trống trong miền p bị đẩy về phía MĐTKG trung hòa bớt các ion dương và
các ion âm trong miền này = độ rộng của miền này hẹp lại.
Do đó, các hạt tải đa số dễ dàng qua MĐTKG tạo nên dòng điện được gọi là dòng điện thuận I
th
.
U
th
càng lớn, các hạt đa số bị đẩy về MĐTKG càng nhiều = độ rộng của MĐTKG càng giảm;
Nghĩa là số điện tích giảm = điện trường tiếp xúc E
tx
giảm nhỏ so với lúc cân bằng.
- Chuyển tiếp p-n phân cực nghịch: điện cực dương của điện áp đặt vào bán dẫn n và điện cực
âm của điện áp đặt vào bán dẫn p.
p n
U
ngc
Khi chuyển tiếp p-n phân cực ngược: → các hạt tải đa số bị đẩy xa MĐTKG
⇒:
• Độ rộng miền điện tích khơng gian tăng • Dòng cuốn các hạt thiểu số tăng,
• Dòng khuếch tán các hạt đa số giảm.
Kết quả trạng thái cân bằng bị phá vỡ, lúc này tồn tại dòng ngược I
ngc
rất nhỏ và hầu như không đổi.
 Nếu tăng U
ngc
trên chuyển tiếp p-n đến vượt một giá trị nào đó → I
ngc
tăng đột ngột: chuyển tiếp p-n bị đánh thủng.
• Khi U
th
thấp, I thay đổi tuyến tính theo U tương
ứng với vùng rào thế.
• Tăng U
th
thì dòng thuận I
th
tăng cao. • U
ngc
thay đổi trong phạm vi lớn, nhưng dòng
ngược I
ngc
nhỏ và khơng đổi.
• U
ngc
tăng đến một giá trị nào đó thì I
ngc
tăng vọt: chuyển tiếp p-n bị đánh
thủng. Đặc tuyến Vôn-Ampe của chuyển tiếp p-n
• Cấu trúc PIN gồm ba lớp bán dẫn P, I, N. • Lớp p và n pha tạp mạnh, ở giữa là lớp bán dẫn thuần
I, có độ dày lớn hơn để làm tăng độ rộng MĐTKG. Với cấu trúc này, khi phân cực ngược đủ lớn, MĐTKG
chính là miền I và MĐTKG khơng lan vào các lớp bán dẫn p, n.
Đặc điểm của loại tiếp xúc này là nó có điện áp ngược cho phép cao, điện dung tiếp xúc nhỏ.
3. Tiếp xúc M-S
 Khi bán dẫn tiếp xúc với kim loại hình thành tiếp xúc M-S. Ở một số điều kiện cụ thể, tiếp xúc này có tính
chất chỉnh lưu.
 Đối với các tiếp xúc M-S lý tưởng khơng có sai hỏng bề mặt, đặc tính của chúng phụ thuộc vào cơng thốt
kim loại A
m
và cơng thốt bán dẫn A
s
khi chúng tiếp xúc nhau A
m
A
s
hay ngược lại.
 Cùng một kim loại tiếp xúc với bán dẫn p và bán dẫn n sẽ xảy ra những hiệu ứng khác nhau.
a. Trường hợp kim loại tiếp xúc với bán dẫn loại n  Trường hợp A
m
A
sn
Giản đồ vùng năng lượng của kim loại và bán dẫn n chuẩn bị tiếp xúc có dạng:
Mơ hình vùng năng lượng của kim loại và bán dẫn n, trường hợp A
m
A
sn
Sau khi tiếp xúc, do A
m
A
sn
: • Các điện tử ở vùng dẫn của bán dẫn n sẽ dịch
chuyển sang kim loại, • Khơng có điện tử nào từ kim loại sang bán dẫn vì
hàng rào thế tiếp xúc khá lớn. Kết quả tại vùng lân cận bề mặt tiếp xúc:
- ở bán dẫn xuất hiện những ion donor mang điện tích
dương, - ở kim loại có sự tích tụ điện tử,
Do đó, tại đây hình thành một điện trường. Điện trường này có xu hướng cản trở sự dịch chuyển của
điện tử từ bán dẫn sang kim loại.
 Tương tự như chuyển tiếp p-n, ở đây cũng hình thành MĐTKG nằm hầu như toàn bộ trong bán dẫn.
 Độ rộng MĐTKG tương ứng với độ cao rào thế tiếp xúc.
 Thay đổi cực tính điện áp đặt vào tiếp xúc sẽ thay đổi được chiều cao rào thế.
• Nếu → MĐTKG rộng ra, điện trở của MĐTKG tăng,
= chiều cao rào thế tiếp xúc tăng.
• Nếu → độ rộng MĐTKG giảm, điện trở của MĐTKG giảm,
= chiều cao rào thế tiếp xúc giảm.
Rào thế trong tiếp xúc M-S còn gọi là rào thế Schottki. Đặc tuyến V-A của tiếp xúc M-S cũng tương tự như
chuyển tiếp p-n do bản chất chỉnh lưu đều là MĐTKG.
 Trường hợp A
m
A
sn
Khi chuẩn bị tiếp xúc, giản đồ vùng năng lượng của kim loại và bán dẫn n:
Khi tiếp xúc, do A
m
A
sn
: • điện tử từ bề mặt kim loại đi vào bán dẫn,
• khơng có điện tử từ bán dẫn sang kim loại vì phải
vượt qua hàng rào thế khá lớn.
Kết quả tại vùng lân cận mặt tiếp xúc: - về phía bán dẫn có sự tích tụ điện tích,
- phía kim loại là một lớp mỏng ion dương = hình thành một điện trường.
Điện trường này chống sự dịch chuyển điện tử lúc đầu, cuối cùng đạt đến trạng thái ổn định.
Từ mơ hình năng lượng, ta có nhận xét:  Tại miền lân cận mặt tiếp xúc, về phía bán dẫn nồng
độ điện tử lớn hơn so với các miền sâu trong bán dẫn;
 Nghĩa là điện trở suất ở đây giảm nhỏ và khơng có MĐTKG.
Nếu thay đổi cực tính của điện áp ngồi đặt vào tiếp xúc M-S, điện trở suất của tiếp xúc cũng không thay
đổi.
b. Trường hợp kim loại tiếp xúc với bán dẫn loại p Lý luận tương tự, ta có:
 Các hiện tượng vật lý xảy ra tương tự như ở tiếp xúc kim loại với bán dẫn n.
 Điều khác cơ bản là vị trí mức năng lượng Fermi E
F
trong bán dẫn n nằm gần đáy vùng dẫn, còn trong bán dẫn p mức năng lượng Fermi nằm gần đỉnh vùng hóa
trị.
Vậy tùy theo đặc điểm cơng thốt điện tử và loại bán dẫn mà tiếp xúc M-S có thể tuyến tính hay phi tuyến.
1
, t
2
sẽ xuất hiện một suất điện động e t
1
, t
2
. Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ t
1
khi biết trước nhiệt độ t
2
.
6. Hiệu ứng phát xạ điện tử Hiệu ứng phát xạ điện tử là hiện tượng các điện tử được giải
phóng thốt khỏi vật liệu, tạo thành dòng được thu lại dưới tác dụng của điện trường.
H
vng góc với từ trường và dòng điện: V
H
= K
H
.I.B.sinθ K
H
: hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu. Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật
chuyển động.
từ trường. • Trong bán dẫn, dưới tác dụng của điện trường, các hạt
dẫn di chuyển không cùng một tốc độ Vn, Vp hay ≠ Vn, ≠ Vp.
• Kết quả:
• Từ trường Hall gây ra lực Lorentz tác dụng lên các hạt dẫn có tốc độ Vn hoặc Vp,
• Các hạt dẫn khác có tốc độ lớn hay nhỏ hơn Vn, Vp thì quỹ đạo của chúng có thể bị cong nhiều hoặc
cong ít, → tăng số lượng dao động, → quãng đường tự do trung bình
↘, → điện trở suất của bán dẫn tăng.
⇒ Điện trở suất của bán dẫn sẽ thay đổi dưới tác dụng của từ trường. Tính chất này được ứng dụng để đo từ.

B. Các khái niệm chung về dụng cụ đo các đại lượng không điện

Để đo các đại lượng trong cơ học, nhiệt học, hóa học, quang học hay âm học,…người ta dùng dụng cụ đo đại
lượng không điện, gọi là cảm biến sensor.

I. Cảm biến – Đặc điểm của cảm biến 1. Định nghĩa cảm biến

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng không điện cần đo và cho ta một đại lượng điện có giá trị
tương ứng. Cảm biến là bộ phận đầu tiên và quan trọng nhất của
dụng cụ đo.

2. Đặc điểm của cảm biến

2.1. Đại lượng chủ là đại lượng cơ bản nhất và làm
thay đổi nhiều nhất tính chất của cảm biến. Một cảm biến có một đại lượng chủ, nhưng để đo
một đại lượng sẽ có nhiều cách đo khác nhau, ⇔ Có nhiều loại cảm biến cùng đo một đại lượng.
2.2. Các đại lượng ảnh hưởng là các đại lượng khác
cùng tác động lên cảm biến nhưng không làm thay đổi hoặc làm thay đổi khơng đáng kể tính chất điện
của cảm biến còn gọi là
đại lượng gây nhiễu.
• Nhiệt độ làm ↝ các đặc trưng điện, cơ và kích
thước của cảm biến. • Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến
dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu hồi đáp.
• Độ ẩm có thể làm ↝ những tính chất điện của vật
liệu như hằng số điện môi ε, điện trở suất ρ. • Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng
chồng lên tín hiệu có ích. Nó còn làm ↝ tính chất
điện của vật liệu cấu thành cảm biến. • Biên độ và tần số của điện áp cung cấp.
Các đại lượng ảnh hưởng này cần phải được giảm nhỏ đến mức thấp nhất.
2.3. Đăc tính của cảm biến • Quan hệ hàm số giữa đại lượng ra và vào được biểu
diễn: u = fm.
u: đại lượng ra hoặc phản ứng của cảm biến, m: đại lượng vào hoặc kích thích.
• Thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra Δu và biến thiên
đầu vào Δm:
Δu = S.Δm S: độ nhạy của cảm biến.
 Một vấn đề quan trọng là khi thiết kế và sử dụng cảm biến phải làm sao cho độ nhạy của chúng S ≈ const,
⇔ S ít phụ thuộc vào các yếu tố sau:
• Giá trị của đại lượng cần đo m độ tuyến tính, và tần số thay đổi của nó dải thơng,
• Thời gian sử dụng độ già hóa, • Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác không
phải là đại lượng đo của môi trường xung quanh.
2.4. Độ nhạy • Độ nhạy S xung quanh một giá trị khơng đổi m
i
của đại lượng đo được xác định
• Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị của S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định
của cảm biến.
⇒ Người sử dụng lựa chọn được cảm biến thích hợp với những điều kiện của mạch đo.
Δu: biến thiên của đại lượng ở đầu ra Δm: biến thiên tương ứng của đại lượng ở đầu vào
• Đơn vị đo của S phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan.
⇔ phụ thuộc vào bản chất của đại lượng ra và đại lượng vào.
• Các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị số S có thể phụ thuộc vào vật liệu,
kích thước hay kiểu lắp ráp.
Độ nhạy:
Q
i
: điểm làm việc của cảm biến.
⇒ Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc.
• Nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc.
• Tỷ số: r
i
= Sm
Qi
gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh.
r
i
không phụ thuộc vào Q
i
r
i
= S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.