Diode p-n dưới điện áp ngoài

Tiếp giáp p-n khi chưa có điện áp ngoài

Chưa có điện áp ngoài, tiếp giáp p-n ở cân bằng: vùng nghèo rộng 0,43 µm, hàng rào 0,714 eV, dòng ròng bằng không.

Tiếp giáp có hai đầu nối ra ngoài là một diode; đồ thị I–V characteristic (đặc tuyến dòng–điện áp) ghi dòng I đo được ở mỗi điện áp V.

Chưa có điện áp → hàng rào 0,714 eV → dòng bằng không.

Xem lời đọc

Ta quay lại tiếp giáp pi nờ ở bài trước, lần này có hai đầu nối ra ngoài, và gọi nó là một diode. Chưa nối pin. Vùng nghèo rộng khoảng không phẩy bốn ba micrô mét, và hàng rào trên giản đồ dải là không phẩy bảy một bốn e vê. Hạt vẫn qua mặt tiếp giáp theo cả hai chiều, nhưng dòng khuếch tán và dòng trôi bằng nhau, ngược chiều, nên dòng ròng bằng không. Điểm sáng trên đồ thị nằm đúng ở gốc.

Hình dùng lại tiếp giáp silicon của bài trước: nồng độ tạp chất 10¹⁶ cm⁻³ hai bên, 300 K. Ở cân bằng, bộ giải 1D cho vùng nghèo rộng 0,43 µm và điện trường lớn nhất 31,9 kV/cm.

Cân bằng không phải là đứng yên: hạt tải vẫn qua mặt tiếp giáp theo cả hai chiều, nhưng hai dòng triệt tiêu nhau nên không có dòng ròng. Vì vậy điểm đo nằm đúng ở gốc của đồ thị I–V.

Phân cực thuận thu nhỏ hàng rào

Nối cực dương của nguồn vào bên loại p là forward bias (phân cực thuận): vùng nghèo hẹp lại và hàng rào nhỏ đi.

Điện áp ngoài ngược chiều điện trường nội tại, nên điện trường trong vùng nghèo nhỏ đi.

Điện áp thuận lớn → hàng rào nhỏ → vùng nghèo hẹp.

Xem lời đọc

Giờ ta nối pin: cực dương vào bên loại pi, cực âm vào bên loại nờ. Đây là phân cực thuận. Bạn nhìn điện áp tăng dần. Điện áp ngoài ngược chiều với điện trường nội tại, nên điện trường trong vùng nghèo nhỏ đi. Vùng nghèo hẹp lại. Trên giản đồ dải, bờ bên loại pi dịch xuống, và hàng rào nhỏ đi so với bóng mờ lúc cân bằng. Điện áp thuận càng lớn thì hàng rào càng nhỏ.

Hàng rào bằng V_bi − V, với V_bi = 0,714 V và V là điện áp thuận đặt trên chính tiếp giáp (phần điện áp rơi ở chỗ khác, nếu có, không tính). Vùng nghèo hẹp từ 0,43 µm ở cân bằng xuống [chờ so-lieu.json: W tại V = +0,4 V] và [chờ so-lieu.json: W tại V = +0,6 V], lấy từ bộ giải 1D chứ không từ công thức gần đúng, vì công thức kém chính xác khi V tiến gần V_bi. Điện trường lớn nhất giảm từ 31,9 kV/cm xuống [chờ so-lieu.json: E lớn nhất tại V = +0,6 V].

Khi có điện áp ngoài, toàn tiếp giáp không còn một mức Fermi chung: mức Fermi hai vùng trung hòa lệch nhau đúng bằng qV, với q là độ lớn điện tích electron. Hình chỉ vẽ E_C và E_V, cùng bóng mờ của vị trí lúc cân bằng để thấy bờ loại p dịch đi một đoạn bằng qV; nếu vẽ mức Fermi thì chỉ vẽ hai vạch mảnh ở hai vùng trung hòa.

Phun hạt tải thiểu số khi phân cực thuận

Hàng rào nhỏ cho nhiều hạt tải vượt sang bên kia; dòng qua mặt tiếp giáp chủ yếu do hạt tải thiểu số được phun vào rồi khuếch tán và tái hợp.

Minority carrier (hạt tải thiểu số) là loại hạt tải ít hơn ở vùng đó: electron ở khối loại p, lỗ trống ở khối loại n.

Hàng rào nhỏ → nhiều hạt vượt rào → dòng thuận lớn.

Xem lời đọc

Hàng rào nhỏ đi nên nhiều electron vượt qua hơn. Bạn nhìn chấm sáng này xem. Nó xuất phát từ bên loại nờ, vượt rào sang bên loại pi. Ở đó nó là hạt tải thiểu số, vì lỗ trống đông hơn nhiều. Nó khuếch tán vào khối, rồi gặp một lỗ trống và tái hợp. Lỗ trống ấy được bù ở đầu nối, nơi một electron rời khối đi vào dây. Lỗ trống bên kia cũng làm ngược lại, nên dòng chạy liên tục. Hàng rào càng nhỏ, dòng càng lớn.

Nồng độ hạt tải thiểu số ở bờ vùng nghèo tăng theo hàm mũ của điện áp thuận: ở mức phun thấp ([chờ so-lieu.json: giá trị tại V = +0,6 V], cần kiểm bằng bộ giải, cỡ 10¹⁴ cm⁻³) vẫn nhỏ hơn nhiều so với 10¹⁶ cm⁻³ của hạt tải đa số, nhưng lớn gấp khoảng 10¹⁰ lần nồng độ lúc cân bằng, nên thang log của hình không gây hiểu lầm là đã quá đông.

Khi dòng khuếch tán trong khối trội, mỗi khi điện áp tăng thêm khoảng 60 mV ở 300 K, dòng tăng cỡ mười lần. Ở điện áp thuận thấp, tái hợp trong vùng nghèo trội hơn, độ dốc khoảng 120 mV mỗi mười lần (cần kiểm bằng bộ giải, trội ở V ≲ 0,45 V), nên các mức 0,3 V và 0,4 V không tăng đúng mười lần mỗi 60 mV. Số thực: [chờ so-lieu.json: I tại V = +0,3; +0,4; +0,5; +0,6 V].

Hạt thiểu số đi sâu vào khối cỡ độ dài khuếch tán, [chờ so-lieu.json: độ dài khuếch tán của electron ở bên loại p và của lỗ trống ở bên loại n], lớn hơn nhiều bề rộng vùng nghèo; vì vậy trục vị trí của page này được thu nhỏ.

Dòng tổng qua mọi vị trí bằng nhau. Gần mặt tiếp giáp dòng chủ yếu do hạt tải thiểu số khuếch tán; càng xa, dòng chuyển dần sang hạt tải đa số trôi trong khối. Hạt thiểu số tái hợp hết trong vài độ dài khuếch tán, không tới mép xa của khối.

Phân cực ngược mở rộng vùng nghèo

Nối cực dương của nguồn vào bên loại n là reverse bias (phân cực ngược): vùng nghèo rộng ra và hàng rào lớn hơn.

Điện áp ngoài cùng chiều điện trường nội tại, nên vùng nghèo rộng ra để lộ thêm ion cố định.

Điện áp ngược lớn → hàng rào lớn → vùng nghèo rộng.

Xem lời đọc

Bây giờ ta đảo nối pin: cực dương vào bên loại nờ. Đây là phân cực ngược. Điện áp ngoài cùng chiều với điện trường nội tại, nên điện trường trong vùng nghèo lớn lên. Hạt tải đa số bị kéo ra khỏi hai mép vùng nghèo, nên lộ thêm ion cố định, và vùng nghèo rộng ra. Trên giản đồ dải, hàng rào lớn hơn so với bóng mờ lúc cân bằng. Điện áp ngược càng lớn thì vùng nghèo càng rộng.

Hàng rào bằng V_bi cộng độ lớn điện áp ngược đặt trên chính tiếp giáp, tức 0,714 V + |V|. Vùng nghèo rộng từ 0,43 µm ở cân bằng lên [chờ so-lieu.json: W tại V = −1 V] và [chờ so-lieu.json: W tại V = −2 V]. Điện trường lớn nhất tăng từ 31,9 kV/cm lên [chờ so-lieu.json: E lớn nhất tại V = −2 V].

Bờ loại p dịch lên so với bóng mờ lúc cân bằng, ngược chiều với phân cực thuận. Vùng nghèo nằm lệch về phía bên pha tạp nhẹ hơn; ở đây hai bên pha tạp bằng nhau nên mở rộng đều hai phía.

Dòng ngược rất nhỏ

Ở phân cực ngược, hầu như không hạt nào vượt được hàng rào; chỉ còn dòng ngược rất nhỏ và tăng rất chậm, do hạt tải thiểu số và các cặp hạt tải sinh do nhiệt.

Điện trường quét hạt tải thiểu số ở gần vùng nghèo sang bên kia; trong vùng nghèo, nhiệt sinh thêm các cặp electron–lỗ trống, điện trường tách chúng ra.

Hàng rào lớn → rất ít hạt vượt rào → dòng ngược rất nhỏ.

Xem lời đọc

Ở chiều ngược, hầu như không hạt nào vượt được hàng rào. Nhưng vẫn còn một dòng rất nhỏ. Bạn nhìn cặp hạt mới sinh ra này, do nhiệt, ngay trong vùng nghèo. Điện trường tách chúng ra. Electron chạy về bên loại nờ, lỗ trống chạy về bên loại pi. Hạt tải thiểu số ở gần vùng nghèo cũng bị quét qua. Số hạt này rất ít, nên dòng ngược rất nhỏ, và tăng rất chậm khi điện áp ngược lớn lên.

Khi điện áp ngược đủ lớn, nồng độ hạt tải thiểu số ở bờ vùng nghèo giảm gần về không, nên phần dòng do khuếch tán thiểu số gần như không đổi theo điện áp. Phần dòng do sinh cặp trong vùng nghèo tỉ lệ với bề rộng vùng nghèo, nên tăng chậm khi vùng nghèo rộng ra (cỡ gấp đôi từ 0 đến −2 V; cần kiểm bằng bộ giải).

Số thực của bộ giải: [chờ so-lieu.json: |I| tại V = −0,5 V; −1 V; −2 V, và phần do khuếch tán thiểu số so với phần do sinh cặp]. Ước tính tay của chuyên gia, chưa kiểm: phần khuếch tán nhỏ hơn phần sinh cặp hàng nghìn lần ở 300 K. Hạt thiểu số ít vì nồng độ của chúng cỡ 10⁴ cm⁻³, nhỏ hơn nhiều so với 10¹⁶ cm⁻³ của hạt tải đa số ở mỗi bên.

Đặc tuyến I–V của diode

Đặc tuyến I–V có hai nhánh: nhánh thuận dòng tăng rất nhanh, nhánh ngược dòng rất nhỏ và tăng rất chậm.

Điểm sáng chạy dọc đường I–V khi điện áp quét từ ngược sang thuận; mặt cắt và giản đồ dải đổi theo đúng điểm đó.

Điện áp thuận lớn → dòng lớn; điện áp ngược → dòng rất nhỏ.

Xem lời đọc

Giờ ta gộp lại. Điểm sáng này đi dọc đặc tuyến khi điện áp quét từ âm sang dương. Ở bên trái, phân cực ngược: vùng nghèo rộng, hàng rào lớn, dòng rất nhỏ và tăng rất chậm. Ở bên phải, phân cực thuận: vùng nghèo hẹp, hàng rào nhỏ, dòng tăng rất nhanh. Bạn nhìn mặt cắt và giản đồ dải, chúng đổi cùng lúc với điểm sáng. Vậy diode dẫn tốt theo một chiều, và hầu như không dẫn theo chiều kia.

Dòng thuận không có ngưỡng cứng: nó tăng dần theo hàm mũ, nên điện áp ở đó dòng bắt đầu đáng kể phụ thuộc vào dòng ta chọn để gọi là đáng kể. Thang điện áp của page này chỉ tới +0,6 V.

Điện áp V	Dòng I	Vùng nghèo W
−2 V	[chờ so-lieu.json]	[chờ so-lieu.json]
0 V	0	0,43 µm
+0,4 V	[chờ so-lieu.json]	[chờ so-lieu.json]
+0,6 V	[chờ so-lieu.json]	[chờ so-lieu.json]

Dòng thuận và dòng ngược chênh nhau nhiều bậc độ lớn, nên khung phóng to riêng cho nhánh ngược dùng thang dòng khác; thang được ghi rõ trên hình.

Giới hạn của mô hình diode lý tưởng

Mô hình lý tưởng chỉ đúng trong một khoảng điện áp: dòng thuận lớn làm đường thật lệch đi, một nguyên nhân là series resistance (điện trở nối tiếp); điện áp ngược đủ lớn gây breakdown (đánh thủng).

Đường lý tưởng là hàm mũ của điện áp thuận, cộng một dòng ngược không đổi; đường liền là kết quả bộ giải 1D.

Dòng thuận lớn → đường thật lệch khỏi đường lý tưởng.

Xem lời đọc

Mô hình lý tưởng chỉ đúng trong một khoảng. Bạn nhìn đường nét đứt, đó là đường lý tưởng. Đường liền là kết quả bộ giải. Khi dòng thuận lớn, đường thật lệch đi. Một nguyên nhân là điện áp rơi thêm ngoài vùng nghèo, gọi là điện trở nối tiếp. Ở phía ngược, nếu điện áp lớn hơn rất nhiều thì xảy ra đánh thủng, và dòng tăng vọt. Mô hình lý tưởng không mô tả được hai hiện tượng này.

Điện trở nối tiếp là phần điện áp rơi trên các vùng trung hòa và tiếp xúc, ngoài vùng nghèo. Với dòng nhỏ nó không đáng kể; với dòng lớn nó làm đường thật đi thấp hơn đường hàm mũ. Ở điện áp thuận cao còn có phun mức cao (nồng độ hạt tải thiểu số tiến gần nồng độ hạt tải đa số), cũng làm đường lệch đi. Phần lệch do điện trở nối tiếp và phần do phun mức cao chỉ tách được bằng cách chạy bộ giải có và không có điện trở nối tiếp: [chờ so-lieu.json: điện áp bắt đầu lệch, mức lệch, phần do mỗi nguyên nhân].

Đánh thủng xảy ra khi điện áp ngược đủ lớn để dòng tăng vọt, ở mức xa hơn nhiều dải −2 V của hình, cỡ hàng chục vôn với tiếp giáp này (số cụ thể cần nguồn, chưa ghi); hai cơ chế thường gặp có tên là đánh thủng thác lũ và đánh thủng Zener. Đánh thủng không nhất thiết làm hỏng linh kiện nếu dòng được giới hạn. Bộ giải dùng ở đây không có cơ chế này, nên hình chỉ dùng ký hiệu gãy trục, không vẽ đường.

Ngoài ra, ở điện áp thuận thấp, tái hợp trong vùng nghèo làm đường thật khác đường hàm mũ lý tưởng. Bộ giải có tính phần này, và đường liền trên hình đã bao gồm nó.