Dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết kỹ thuật chế tạo một diode bán dẫn với lớp tiếp giáp P-N.
Kỹ thuật chế tạo diode lớp tiếp giáp PN
Trong thực tế, tiếp giáp PN được hình thành từ một cấu trúc đơn tinh thể bằng cách thêm các tạp chất được kiểm soát cẩn thận và tạp chất. Ở đây chúng ta chỉ giới hạn ở việc làm quen với các kỹ thuật và thuật ngữ cơ bản [không phải chuyên môn trong chế tạo].
Yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất là phải có được loại Germanium hoặc silicon cực kỳ tinh khiết. Ngày nay để chế tạo thiết bị bán dẫn thì tạp chất phải ít hơn một phần mười tỷ [10ᶺ10 ]. Để có được vật liệu bán dẫn tinh khiết, đầu tiên nó phải được tinh chế hóa học. Để giảm các tạp chất hơn nữa và đảm bảo sự hình thành cấu trúc đơn tinh thể, người ta thường sử dụng kỹ thuật vùng phẳng. Cấu trúc tinh thể đơn được hình thành thông qua việc sử dụng một hạt bán dẫn nhỏ [ ví dụ như silicon hoặc gecmani] . Nó là một đơn tinh thể đã được cắt rất cẩn thận dọc theo mặt của mạng tinh thể của nó. Kẹp hỗ trợ được sử dụng để giữ thanh đa tinh thể có độ tinh khiết thấp.
Các que, hạt giống và kẹp hỗ trợ được đặt trong một xi lanh thạch anh. Quá trình có thể được thực hiện trong chân không hoặc bằng cách bao quanh chất bán dẫn bằng khí trơ. Cần hết sức cẩn thận để đảm bảo rằng chất bán dẫn không bị ô nhiễm thêm trong quá trình nóng chảy chuyển động.
Cuộn cảm ứng bao gồm hộp đựng thạch anh. Các cuộn dây được kích thích bởi một điện áp tần số vô tuyến. Dòng điện tuần hoàn được cảm ứng trong chất bán dẫn do từ trường được tạo ra từ dòng RF chạy qua cuộn dây cảm ứng. Sự nóng chảy để sản xuất vùng nóng chảy được tiếp xúc với nó.
Các thanh quay chậm làm cho các nguyên tử bán dẫn tự liên kết với các nguyên tử trong hạt đơn tinh thể. Do đó, khi các cuộn dây cảm ứng được di chuyển xuống dưới, vùng nóng chảy theo sau thì một cấu trúc đơn tinh thể tiếp tục phát triển từ hạt giống. Việc tinh chế thanh bán dẫn xảy ra đồng thời với sự hình thành của đơn tinh thể. Các tạp chất trong thanh bán dẫn có xu hướng trở nên 'lỏng hơn' so với chất bán dẫn. Do đó, khi các cuộn dây cảm ứng được di chuyển xuống dưới, các tạp chất có xu hướng đi theo vùng nóng chảy . Khi các cuộn dây cảm ứng đã đi qua chiều dài của thanh bán dẫn, tạp chất được thu thập ở đầu dưới của nó. Đầu dưới của thanh bán dẫn có thể bị cắt và quá trình được lặp lại cho đến khi đạt được mức độ tạp chất mong muốn.
Khi sản xuất chất bán dẫn đơn tinh thể, lượng tạp chất và chất nhận được kiểm soát cẩn thận được thêm vào chất bán dẫn mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc đơn tinh thể. Do đó ngã ba PN được hình thành.
Một số loại diode bán dẫn thường gặp:
1. Diode tiếp giáp
2. Loại hợp kim hoặc diode tiếp giáp hợp nhất
3. Diode tiếp giáp khuếch tán
4. Diode khuếch tán phẳng
5. Diode tiếp xúc điểm
Tiếp tục là những tìm hiểu về các linh kiện điện tử cơ bản. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về Diode với những thông tin về khái niệm, cấu tạo, phân loại cũng như nguyên lí hoạt động nhé!
Cũng giống như tụ điện, transistor, rơ le,… điốt hiện nay cũng được sử dụng một cách rộng rãi trong các bài toán điện. Nói về đi ốt cũng có một số điểm cần lưu ý.
Trước tiên chúng ta sẽ đi tìm hiểu về định nghĩa điốt, một bộ phận vô cùng quan trọng trong mạch điện, điốt tên tiếng anh là Diode, là một thiết bị điện cho phép dòng điện di chuyển qua nó theo một hướng dễ dàng hơn nhiều so với thiết bị kia. Thuật ngữ “diode” được dành riêng cho các thiết bị tín hiệu nhỏ, I ≤ 1 A. Nếu I > 1 A thì thuật ngữ được sử dụng là bộ chỉnh lưu. Loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại là diode bán dẫn ngoài ra còn nhiều các công nghệ diode khác tồn tại. Khi được đặt trong một mạch đèn pin đơn giản, diode sẽ cho phép hoặc ngăn dòng điện qua đèn, tùy thuộc vào cực của điện áp được áp dụng
Phân loại điốt
Mặc dù chúng ta thường sử dụng nhất là điốt bán dẫn nhưng trên thực tế còn có một số loại Diode khác có thể kể đến:
- Đi ốt chỉnh lưu thường
- Đi ốt Zener
- Đi ốt tín hiệu
- Đi ốt Schottky
- Đi ốt quang [Photodiode]
- LED [điốt phát sáng]
- Đi ốt Laser
Cấu tạo
Đi ốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.
Nguyên lí hoạt động
Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử [điện tích âm] từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm [thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử] trong khi khối N tích điện dương [thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống].
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếp xúc.
Sự tích điện âm khối P và Dương khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc [UTX]. Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây chính là cốt lõi hoạt động của điốt. Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện
Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.
Ứng dụng
Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động.
Xem thêm:
Trên đây là một vài tìm hiểu cơ bản về Diode. Hi vọng bài viết này giúp các bạn có thêm những kiến thức thú vị và hữu ích. Có thắc mắc hay cần thêm thông tin gì các bạn liên hệ BKAII nhé!
"BKAII -Thiết bị truyền thông TỐT nhất với giá CẠNH TRANH nhất!"
Chúng ta thường hay nhắc đến các linh kiện điện tử, và trong các bảng mạch này không thể bỏ qua các điôt bán dẫn. Vậy điốt bán dẫn là gì, cấu tạo và chức năng của chúng ra sao? Chúng ta cùng tìm hiểu ngay dưới đây nhé!
Đi ốt bán dẫn là gì?
Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, nó cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều cố định mà không theo chiều ngược lại nhờ các tính chất của các chất bán dẫn.
Hiện nay có rất nhiều loại điốt bán dẫn khác nhau như: điốt chỉnh lưu thông thường, điốt LED, điốt ổn áp…
Cấu tạo của điốt bán dẫn
Điốt bán dẫn được tạo nên từ các chất bán dẫn, trong đó có 2 tấm bán dẫn P và bán dẫn N được ghép lại với nhau và chúng được nối với 2 chân ra là anode và cathode, Trong đó anode là cực dương, cathode là cực âm.
Ngày nay, hầu hết các chất bán dẫn đều được làm từ silic, ngoài ra đôi khi người ta cũng sử dụng các chất bán dẫn như selen và germani.
Nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn
Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương [+], do vậy nó có xu hướng di chuyển sang khối bán dẫn N [ chứa các điện tử tự do]. Cùng lúc đó, tấm bán dẫn N lại truyền các điện tích âm sang khối bán dẫn P. Khi đó khối bán dẫn N thiếu hụt các Electron, dư thừa điện tích dương nên nó nhiễm điện tích dương. Ngược lại khối bán dẫn P lại nhiễm điện âm.
Ở bề mặt tiếp giáp của 2 khối bán dẫn, các điện tích tiến lại gần nhau và mang lại những nguyên tử trung hòa về điện. Quá trình này xảy ra có thể khiến chúng phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng [diot đèn LED] hoặc là bức xạ điện từ ở gần đó.
Tại vị trí tiếp xúc này, các điện tích thường xuyên gặp nhau dễ dàng, không có các điện tích tự do nên đây được gọi là vùng nghèo [depletion region]. Đặc điểm của vùng nghèo này đó chính là chúng không dẫn điện tốt. Trừ khi điện áp vùng tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài thì nó mới dẫn điện. Và đây cũng chính là nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn.
Nếu chúng ta đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt. Và nếu như ngược lại thì chúng sẽ không dẫn điện.
Những ứng dụng của điốt bán dẫn trong đời sống
Với khả năng chỉ cho phép dòng điện đi từ anode sang cathode, điốt được sử dụng cho việc chỉnh lưu dòng điện từ dòng xoay chiều sang dòng điện 1 chiều.
Ngoài ra, nội trở trong điốt thay đổi rất lớn, nó được ứng dụng làm công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp.
Chúng ta hay nhắc đến điốt phát quang, đây chính là một ứng dụng to lớn của điốt trong công nghệ chiếu sáng cực kì tiết kiệm năng lượng như hiện nay, đó là đèn LED.
Bạn có thể thích: