BJT NPN và giản đồ dải ở cân bằng

Ba vùng của BJT NPN

Một bipolar junction transistor (BJT, transistor lưỡng cực) loại NPN là một khối silicon liền có ba vùng: emitter (vùng phát) loại n, base (vùng nền) loại p rất mỏng, collector (vùng thu) loại n.

Mức pha tạp giảm dần từ vùng phát sang vùng thu; vùng nền mỏng nhất trong ba vùng.

Ba vùng n-p-n liền một khối → vùng nền loại p mỏng nằm giữa hai vùng loại n.

Xem lời đọc

Đây là một transistor lưỡng cực loại nờ pi nờ. Nó là một khối silicon liền, chia thành ba vùng. Hai vùng ngoài là loại nờ. Bên trái là vùng phát, bên phải là vùng thu. Ở giữa là vùng nền, loại pi. Bạn nhìn thước đo xem. Vùng nền mỏng nhất trong ba vùng. Vùng phát pha tạp nhiều nhất, vùng thu pha tạp ít nhất. Ba vùng nối liền nhau trong cùng một mạng tinh thể.

Hình dùng silicon ở 300 K, nồng độ tạp chất 10¹⁸ cm⁻³ ở vùng phát, 10¹⁷ cm⁻³ ở vùng nền và 10¹⁵ cm⁻³ ở vùng thu. Bề rộng ba vùng được vẽ đúng tỉ lệ: 1,0 µm, 0,3 µm và 2,0 µm. Silicon của BJT thật thường có vùng phát pha tạp 10¹⁹ đến 10²⁰ cm⁻³ (suy biến); hình dùng 10¹⁸ cm⁻³ cho giản đồ đơn giản. Số chấm trên hình chỉ minh họa thứ tự pha tạp, không theo tỉ lệ thật.

Tên NPN đọc theo thứ tự các vùng: loại của vùng phát, rồi vùng nền, rồi vùng thu. Cả ba vùng thuộc cùng một mạng tinh thể silicon, chỉ khác loại và mức pha tạp.

Ba đầu nối của ba vùng này là cực phát, cực nền (cực gốc) và cực thu (cực góp).

Hai tiếp giáp và hai vùng nghèo

Chỗ vùng phát gặp vùng nền và chỗ vùng nền gặp vùng thu đều là tiếp giáp p-n; ở cân bằng, mỗi tiếp giáp có vùng nghèo riêng.

Vùng nghèo lấn vào phía pha tạp ít hơn: tiếp giáp phát-nền lấn chủ yếu vào vùng nền, tiếp giáp nền-thu lấn chủ yếu vào vùng thu.

Hai tiếp giáp dùng chung một vùng nền → vùng nền còn lại một phần trung hòa mỏng ở giữa.

Xem lời đọc

Mỗi chỗ hai vùng khác loại gặp nhau là một tiếp giáp pi nờ. Ở cân bằng, mỗi tiếp giáp có các lớp ion cố định lộ ra, tức là một vùng nghèo. Bạn nhìn đồ thị điện tích bên dưới. Vùng nghèo lấn vào phía pha tạp ít hơn. Tiếp giáp phát nền lấn chủ yếu vào vùng nền. Tiếp giáp nền thu lấn chủ yếu vào vùng thu. Hai tiếp giáp dùng chung vùng nền, nên ở giữa còn lại một phần trung hòa.

Ở mỗi tiếp giáp, điện tích ion cố định ở hai bên bằng nhau về độ lớn. Bên pha tạp nhiều có nhiều ion trên mỗi đơn vị thể tích, nên chỉ cần một lớp mỏng; bên pha tạp ít phải có lớp dày hơn để chứa đủ điện tích.

Đồ thị điện tích vẽ theo thứ tự từ vùng phát sang vùng thu: lớp ion dương mỏng ở vùng phát, lớp ion âm ở vùng nền, rồi lớp ion âm mỏng ở vùng nền và lớp ion dương dày ở vùng thu. Theo bộ giải 1D, tổng bề rộng vùng nghèo phát-nền cỡ 0,10 µm và nền-thu cỡ 0,89 µm (vùng nghèo tính là đoạn mà điện tích |ρ| còn ít nhất một nửa mật độ tạp chất của phía đó). Hai lớp ion mỏng, mỗi lớp cỡ 0,01 µm (bên vùng phát ở tiếp giáp phát-nền và bên vùng nền ở tiếp giáp nền-thu), được vẽ không theo tỉ lệ. Vùng nền nằm giữa hai vùng nghèo, và phần trung hòa của nó là bề rộng vùng nền trừ đi hai phần vùng nghèo lấn vào, cỡ 0,20 µm trong 0,3 µm.

Giản đồ dải dọc theo linh kiện

Theo trục vị trí từ vùng phát qua vùng nền đến vùng thu, E_C và E_V nằm ngang trong ba vùng trung hòa và chỉ uốn trong hai vùng nghèo.

Trong vùng nền, E_C và E_V có năng lượng lớn hơn so với vùng phát và vùng thu.

Hai tiếp giáp uốn dải → vùng nền là một bậc nhô lên giữa hai vùng loại n.

Xem lời đọc

Giờ ta vẽ giản đồ dải dọc cả linh kiện, cùng trục vị trí với mặt cắt phía trên. Trong ba vùng trung hòa, đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm ngang. Chúng chỉ uốn trong hai vùng nghèo, đúng chỗ bạn thấy các lớp ion. Vùng nền ở giữa có năng lượng lớn hơn hai vùng loại nờ. Vì vậy vùng nền là một bậc nhô lên giữa hai vùng loại nờ.

Giản đồ dải được vẽ cho cả linh kiện trên một trục vị trí. Hai tiếp giáp dùng chung vùng nền, nên trong vùng nền E_C chỉ có một giá trị, là đoạn nằm ngang giữa hai chỗ uốn.

Đoạn nằm ngang này tồn tại vì ở hình, vùng nền còn phần trung hòa giữa hai vùng nghèo. Thứ tự năng lượng của E_C ở ba vùng trung hòa là vùng phát nhỏ nhất, rồi vùng thu, rồi vùng nền lớn nhất. Hai vạch mờ nối mặt cắt với giản đồ cho thấy dải uốn đúng ở chỗ có các lớp ion.

Mức Fermi phẳng và hai hàng rào

Ở cân bằng, mức Fermi E_F nằm ngang suốt ba vùng, nên mỗi tiếp giáp có một hàng rào cho electron.

Ở hai vùng loại n, E_F gần E_C; ở vùng nền, E_F gần E_V; khi vùng phát pha tạp nhiều hơn vùng thu, hàng rào phát-nền lớn hơn hàng rào nền-thu.

E_F nằm ngang → dải uốn ở cả hai tiếp giáp → electron từ vùng phát và từ vùng thu đều gặp hàng rào.

Xem lời đọc

Bây giờ ta vẽ thêm mức Fermi, là đường nét đứt này. Ở cân bằng, nó nằm ngang suốt cả ba vùng. Ở hai vùng loại nờ, nó gần đáy vùng dẫn. Ở vùng nền, nó gần đỉnh vùng hóa trị. Vì mức Fermi phẳng, nên dải phải uốn ở cả hai tiếp giáp. Bạn nhìn hai mũi tên đo. Electron từ vùng phát gặp một hàng rào, electron từ vùng thu gặp một hàng rào khác. Khi vùng phát pha tạp nhiều hơn vùng thu, hàng rào phía vùng phát lớn hơn. Rất ít electron vượt được.

Mỗi hàng rào ứng với built-in potential (hiệu thế tiếp xúc) của tiếp giáp tương ứng: V_bi = (kT/q)·ln(N_AN_D/n_i²), với N_A là nồng độ tạp chất bên loại p, N_D bên loại n của tiếp giáp đó. Vùng phát pha tạp nhiều hơn vùng thu, nên V_bi của tiếp giáp phát-nền lớn hơn của tiếp giáp nền-thu, chênh cỡ (kT/q)·ln(N_phát/N_thu), khoảng 0,18 eV với hình này. Bộ giải 1D cho V_bi phát-nền 0,868 V và nền-thu 0,711 V (đã tính thu hẹp vùng cấm ở vùng phát pha tạp nhiều; công thức đơn giản cho 0,893 V và 0,714 V), ứng với hàng rào electron 0,886 eV và 0,708 eV.

E_F nằm ngang là điều kiện của cân bằng: với mỗi loại hạt tải, dòng khuếch tán và dòng trôi triệt tiêu nhau tại mọi vị trí, nên không có dòng ròng. Như ở tiếp giáp p-n đơn, hàng rào không đo được bằng vôn kế đặt lên hai đầu linh kiện.

Vì E_F nằm ngang, E_C của vùng thu nằm xa E_F hơn E_C của vùng phát (khoảng 0,26 eV so với 0,08 eV), do vùng thu pha tạp ít hơn.

PNP đối chiếu với NPN

Đổi loại pha tạp của ba vùng, ta được PNP transistor (transistor PNP): vùng phát loại p, vùng nền loại n mỏng, vùng thu loại p.

E_F vẫn nằm ngang; vùng nền loại n có E_F gần E_C, hai vùng loại p có E_F gần E_V.

Đổi n và p → dải lật → lỗ trống gặp hàng rào, thay cho electron.

Xem lời đọc

Giờ ta đổi loại pha tạp của cả ba vùng. Vùng phát và vùng thu thành loại pi, vùng nền mỏng thành loại nờ. Đó là transistor pi nờ pi. Mức Fermi vẫn nằm ngang. Nhưng giờ nó gần đáy vùng dẫn ở vùng nền, và gần đỉnh vùng hóa trị ở hai vùng ngoài. Bạn nhìn dải lật lại so với nờ pi nờ. Lỗ trống từ vùng phát gặp hàng rào ở đỉnh vùng hóa trị. Lỗ trống có năng lượng lớn hơn khi ở sâu bên dưới, nên hàng rào quay xuống.

Trên giản đồ, năng lượng của lỗ trống lớn dần khi đi xuống. Trong PNP, E_V của vùng nền nằm thấp hơn E_V của hai vùng loại p, nên lỗ trống đi từ vùng phát vào vùng nền phải lên năng lượng lớn hơn: đó là hàng rào của lỗ trống.

Phép lật gần đúng: giản đồ cân bằng của PNP gần như là ảnh gương của NPN. Độ linh động và khối lượng hiệu dụng khác nhau chỉ làm lệch nhỏ vị trí E_F, và khác biệt lớn hơn khi có dòng.