dcbd ch04 chuyen tiep pn

8/10/2019 DCBD Ch04 Chuyen Tiep PN

http://slidepdf.com/reader/full/dcbd-ch04-chuyen-tiep-pn 1/90

Chương 4

ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐTBMĐTGVPT: Hồ Trung MỹMôn học: Dụng cụ bán dẫn

1

uy n p(PN Junction)



• Trong chương này, chúng ta khảo sát vật liệu bán dẫn đơn tinh thể

chứa cả 2 miền loại N và P mà tạo thành chuyn ti p p-n (p-n junction). Phần lớn các chuyển tiếp p-n hiện đại được làm bằng côngnghệ planar (được mô tả ở phần 4.1).

• Chuyển tiếp p-n đóng 1 vai trò quan trọng trong cả các ứng dụng điệntử hiện đại và việc hiểu các dụng cụ bán dẫn khác. Nó được dùng rộngrãi trong chỉnh lưu dòng điện, chuyển mạch (mạch xung) và các hoạtđộng khác trong các mạch điện tử. Nó là khối xây dựng cơ bản cho

2

, .

đúng hoặc khi được ánh sáng chiếu vào, chuyển tiếp p-n cũng có chứcnăng như dụng cụ vi-ba (microwave) hoặc dụng cụ quang điện tử.

• Chúng ta cũng xét dụng cụ liên hệ, chuyn tip d th (heterojunction),đây là chuyển tiếp được tạo từ 2 bán dẫn khác nhau. Chuyển tiếp dịthể là khối xây dựng quan trọng cho BJT chuyển tiếp dị thể, FET đượcpha tạp chất có điều chế (MODFET=modulation doped field effecttransistors), dụng cụ hiệu ứng lượng tử, và dụng cụ quang điện tử.

• Và ta cũng khảo sát các loại diode bán dẫn khác và các ứng dụng củachúng.



Cụ thể ta sẽ khảo sát các chủ đề sau:

• Sự tạo thành chuyển tiếp p-n.

• Hoạt động của miền nghèo khi có phân cực điện áp.

• Dòng điện trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của các quá trình sinh và

tái hợp.

• Điện tích chứa trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của với hoạt độngquá độ.

3

• Sự nhân đánh th ng trong chuy n ti p p-n và tác động c a nó lên điện ápngược cực đại.

• Đặc tuyến dòng-áp (I-V).

• Các mô hình của diode bán dẫn.

• Chuyển tiếp dị thể và các đặc tính cơ bản của nó.

• Các loại diode bán dẫn.

• Các ứng dụng của diode bán dẫn



4.1 Các bước chế tạo cơ bản• Ngày nay người ta sử dụng nhiều công nghệ planar để chế tạo IC. Các

hình 1 và 2 cho thấy các bước chính của quá trình planar. Các bước này(theo thứ tự) gồm có oxy hóa (oxidation), quang khắc (lithography), cấy ion(ion implanation), và kim loại hóa (metallization).

4

(a) Phiến bán dẫn (wafer) Si loại N.

(b) Phiến bán dẫn Si đượ coxy hóa khô hay ướ t.

(c) Cho chất cản quang (resist) lên.

(d) Phơi sáng chất cản quang (Resist exposure)

qua mặt nạ (mask).

Hì nh 1



Hì nh 2 (a) Wafer sau khiđược rửa xong (development).(b) Wafer sau khi lấy điphần SiO2 không mong muốn.(c) Kết quả sau cùng của

quá trình quang khắc.(d) Chuyển tiếp p-n được tạora bằng quá trình khuếch tánhoặc cấy ion.e Wafer sau khi đư c

5

kim loại hóa.(f) Chuyển tiếp p-n sauquá trình đầy đủ.



4.1 Oxidation

• Oxide Silic (SiO2) chất lượng cao được sử dụng nhiều trong chếtạo IC. Tổng quát SiO 2 có chức năng như cht cách đin trong1 số cấu trúc dụng cụ hoặc như rào ch n sự khuếch tán haycấy trong chế tạo dụng cụ.

• Trong chế tạo chuyển tiếp p-n (Hình 1), màng SiO2dùng để địnhnghĩa diện tích chuyển tiếp.

•

6

2 ,thuộc vào việc sử dụng oxy khô hay hơi nước bốc hơi. Oxy hóakhô thường được dùng để tạo oxide mỏng trong cấu trúc dụngcụ do nó giao tiếp Si-SiO2 tốt, trái lại oxy hóa ướt được dùng

cho các lớp dày hơn do tốc độ tăng trưởng nhanh. Hình 1a cho1 phần của phiến bán dẫn Si chuẩn bị cho oxy hóa. Sau quátrình oxy hóa, một lớp SiO2 được tạo thành trên toàn bộ bề mặtwafer. Hình 1b cho thấy bề mặt phía trên của wafer bị oxy hóa.



4.1.3 Khuếch tán và cấy ion

• Trong phương pháp khuếch tán, bề mặt bán dẫn không được bảo vệbởi oxide được phơi ra cho nguồn có nồng độ cao có tạp chất ngượclại. Tạp chất đi vào tinh thể bán dẫn do khuếch tán.

• Trong phương pháp cấy ion, tạp chất được đưa vào bán dẫn bằngcách gia tốc những ion tạp chất đến mức năng lượng cao và cấy cácion vào bán dẫn. Lớp SiO2 làm rào chắn sự khuếch tán tạp chất hay

8

.

• Sau quá trình khuếch tán hay cấy ion, chuyển tiếp p-n được tạothành như ở hình 2d. Do khuếch tán tạp chất hoặc cấy ion theo chiều

ngang, bề rộng của miền p hơi lớn hơn phần cửa sổ



4.1.4 Metallization (kim loại hóa)

• Sau quá trình khuếch tán hay cấy ion, người ta dùngquá trình kim loại hóa để tạo nên các tiếp xúc Ohm vàcác kết nối (hình 2e). Các màng mỏng kim loại có thể

được tạo nên bằng lắng đọng hơi vật lý và lắng đọnghơi hóa học (chemical vapor deposition=CVD).

• Một lần nữa người ta dùng quá trình quang khắc để

9

n ng a p x c p a rư c n .• Thực hiện kim loại hóa tương tự cho phần tiếp xúc phía

sau không dùng quá trình quang khắc. Thông thường

• Việc nung ủ nhiệt độ thấp (<=500oC) sẽ làm cho có tiếpxúc điện trở thấp giữa lớp kim loại và bán dẫn.

• Khi hoàn tất quá trình kim loại hóa thì ta có thể sử dụng

các chuyển tiếp p-n được rồi.



4.2 Điều kiện cân bằng nhiệt

• Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là chnh lu dòngđin , nghĩa là chúng cho phép dòng điện chạy dễ dàng chỉ theo 1hướng. Do đó dụng cụ đầu tiên từ chuyển tiếp p-n là diode ch nhl u (rectifier diode)

• Hình 3 cho thấy đặc tuyến dòng-áp của chuyển tiếp p-n tiêu biểu vớibán dẫn Si. Khi ta đưa “ phân cc thun ” (forward bias) vào chuyển

10

,

điện áp tăng.

• Tuy nhiên, khi ta đưa “ phân cc ng c ” (reverse bias) vào, thì gần

như không có dòng điện chạy qua. Khi tăng phân cực ngược thì dòngđiện ở giá trị rất nhỏ cho đến khi đạt đến điện áp tới hạn, ở điểm đódòng điện tăng đột ngột. Sự tăng đột ngột này trong dòng điện đượcgọi là đánh thng chuyn ti p (junction breakdown). Điện áp thuậnđưa vào thường < 1 V, nhưng điện áp tới hạn, hoặc điện áp đánhthủng có thể thay đổi từ vài Volt đến nhiều ngàn Volt phụ thuộc vàonồng độ tạp chất và các tham số dụng cụ khác.

ế ở



Cách nhận biết sự phân cực ởchuyển tiếp PN

• Dựa trên V P – V N : (V P là thế ở đầu Anode và V N là thế ởđầu Cathode)

» < 0 : phân cực ngược (REVERSE BIAS )

» = 0 : không có phân cực hay cân bằng

» > 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS)

11



12

Hì nh 3 Đặc tuyến dòng-áp (đặc tuyến I-V) của chuyển tiếp p-n tiêu biểu với bán dẫn Si.



Giả thiết khi phân tích

1. Chuyển tiếp PN loại bước

2. Dùng mô hình điện tích không gian bước

13



Mô hình điện tích không gian bước

(Miền khối)

(Miền khối)

P N

14



4.2.1 Gin đ di năng l ng

15

Hì nh 4 (a) Các bán dẫn (được pha tạp chất đều) loại P và N trước khi tạo thành chuyển tiếp.

(b) Điện trường trong miền nghèo (depletion region) và giản đồ dải năng lượng của chuyển

tiếp p-n ở điều kiện cân bằng nhiệt.• Mứ c Fermi

– Gần dải dẫn ( loại N)

– Gần dải hóa trị (loại P)

• Gắn lại với nhau – Điện tử được khuếch tán

– Lỗ khuếch tán

• Để lại

– Ion donor dương (ND+), bên phải

– Ion acceptor âm (NA-), trái

• Tạo nên điện trường• Tạo nên điện thế.

• Mi n điện tích khôn ian



4.2.2 Nhng mc Fermi cân bng (Equilibrium Fermi levels)

Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhấtbằng zero.

Thì

hoặc

16

với

Tương tự, ta có mật độ dòng điện tử:

Như vậy, với điều kiện dòng điện tử và lỗ bằng

không, mức Fermi phải là hằng số (nghĩ alà độc lập với x) trên toàn bộ mẫu thửnhư được minh họa trong giản đồ Hình 4b.



Rào th V bi (Bult-in potential) • Mức Fermi không đổi ở cân bằng nhiệt dẫn đến sự phân bố điện tích không gian duy

nhất ở chuyển tiếp. Sự phân bố điện tích không gian duy nhất và thế tĩnh điện đượccho bởi phương trình Poisson:

Ở đây ta giả sử rằng tất cả các donor và acceptor đều bị ion hóa.

• Trong những miền cách xa chuyển tiếp do luyện kim, sự trung hòa điện tích được duytrì và tổng mật độ điện tích không gian là không. Đối với các miền trung hòa, ta có thểđơn giản hóa (7) thành:

và

17

• Đối với miền trung hòa bên P, ta giả sử rằng N D =0 và p>>n . Thế tĩnh điện của miềntrung hòa bên P so với mức Fermi, được gọi là Ψ p (xem hình 5b) và có thể tính đượcbằng cách đặt N D = n = 0 trong (9) và bằng cách thay kết (p = N A ) vào (2):

• Tương tự ta cũng có thế tĩnh điện Ψ n của miền trung hòa bên N so với mức Fermi

• Chú ý: Phương trình (2):



Rào thế V bi (Bult-in potential)

• Hiệu điện thế tĩnh điện giữa miền trung hòa bên P và bên N ởcân bằng nhiệt được gọi là đin th ni (built-in potential)hay rào th V bi

• Chú :

18

– Người ta còn gọi V bi với các tên khác là th chuyn ti p , th tip xú c ,hoặc đin áp khuch tá n (diffusion voltage)

– Một số TLTK khác sử dụng ký hiệu ϕ ϕϕ ϕ j (j=junction) thay cho V bi

– Hệ quả: Quan h gi a h t d n đ a s - thi u s :

với p n0 là nồng độ lỗ của bán dẫn N ở cân bằng nhiệt

[ ]

[ ]T bin p

T bi pn

V V nn

V V p p

/ exp

/ exp

00

00

−=

−=



Hình 5

(a) Chuyển tiếp p-n với sự pha tạp chất

19

kim.(b) Giản đồ dải năng lượng của chuyểntiếp bước ở cân bằng nhiệt.

(c) Sự phân bố điện tích không gian.

(d) Xấp xỉ hình chữ nhật cho sự phân bố điện tích không gian



4.2.3 Đin tí ch không gian • Đi từ miền trung hòa tới chuyển tiếp, ta gặp 1 miền quá độ hẹp như ở

hình 5c. Ở đây điện tích không gian của các ion tạp chất được bổ chính1 phần bởi các hạt dẫn tự do. Vượt qua miền quá độ ta đi vào miền hoàntoàn nghèo (hạt dẫn tự do) ở đó mật độ hạt dẫn tự do là không. Đâyđược gọi là min nghèo (còn được gọi là min đin tí ch không gian ).

Với các chuyển tiếp p-n tiêu biểu trong Si và GaAs, bề rộng của mỗimiền quá độ nhỏ hơn nhiều bề rộng của miền nghèo. Do đó, ta có thể bỏqua miền quá độ và biểu diễn miền nghèo bằng phân bố hình chữ nhậtnhư tron hình 5d với x và x chỉ bề r n miền n hèo bên P và bên N

20

(hoặc W P và W N ) với miền nghèo hoàn toàn có p = n =0 . Phương trình 7trở thành

• Độ lớn của Ψ p và Ψ n theo (10) và (11) được vẽ trong hình 6 như hàmcủa nồng độ pha tạp vào Si và GaAs. Với nồng độ tạp chất cho trước,thế tĩnh điện của GaAs thì cao hơn của Si vì nó có nồng độ hạt dẫn nội

tại n i nhỏ hơn.



21

Hình 6 Các điện thế nội bên P và bên N của chuyển tiếp bướctrong Si và GaAs là hàm của nồng độ tạp chất.



Thí dụ 1: Tính rào thế Vbi với chuyển tiếp p-n Si có NA= 1018 cm3 và ND = 1015 cm3 ở 300 K.

Bài giải. Từ phương trình 12, ta có

22

cũng từ hình 6

ề



4.3 Miền nghèo(depletion region)

• Để giải phương trình Poisson (13), ta phải biết sự phân bố tạp chất.Trong phần này ta xét 2 trường hợp quan trọng – chuyn tipb c (abrupt junction) và chuyn tip bin đi tuyn tí nh (linearlygraded junction).

• Hình 7a cho thấy chuyển tiếp bước là chuyển tiếp được tạo bởi khuếchtán cạn ha cấ ion năn lượn thấ . Sự hân bố tạ chất của chu ển

23

tiếp có thể xem xấp xỉ là thay đổi đột ngột của nồng độ tạp chất giữa cácmiền N và P.

• Hình 7b cho thấy chuyển tiếp biến đổi tuyến tính. Khi cho khuếch tán sâu

hay cấy ion năng lượng cao, profile tạp chất có thể xấp xỉ bằng chuyểntiếp biến đổi đều tuyến tính, nghĩa là sự phân bố tạp chất thay đổi tuyếntính qua chỗ chuyển tiếp. Ta xét miền nghèo của cả 2 loại chuyển tiếpnày.

ề



Hình 7 Miền nghèo

• Chuyển tiếp bước (Abrupt junction) – Chuyển tiếp PN được tạo thành bằng

khuếch tán cạn hoặc cấy ion nănglượng thấp.

– Sự phân bố tạp chất

» Xấp xĩ bằng sự chuyển đột ngộtnồng độ pha tạp giữa miền N và P.

24

• Chuyn tip bin đi đu tuyn tí nh

– Khuếch tán sâu hoặc cấy ion nănglượng cao.

– Sự phân bố tạp chất thay đổi tuyến tínhở chỗ chuyển tiếp PN.

ể ế



Chuyển tiếp bước (Abrupt junction)

vớ i

vớ i

miền

nghèomiền P

trung hòa

miền N

trung hòa

25

vớ i

Vớ i

Điện trường cực đại E m Bề rộng miền nghèo W

Chuyển tiếp bước 1 bên



Chuyển tiếp bước 1 bên(One-sided abrupt junction)

Trường giảm xuống zero tại x=W , do đó

nghĩa làTheimage cannotbe displayed.Your computer may nothave enough memory to open theimage,or theimage may havebeen corrupted. Restartyour computer,and then open thefileagain. Ifther ed x stillappears,yo u may haveto deletetheimage and then insertitagain.

26

Với N B là nồng độ khối được

pha tạp chất ít (nghĩa là N D vớichuyển tiếp p+-n)



27



Ch ti bi đi đ t tí h



Chuyn tip bin đi đu tuyn tí nh

Sự phân bố tạp chất

29Với a là nồng độ tạp chất (cm-4) và W là bề rộng miền nghèo

Sự phân bố điện thếtheo khoảng cách

Giản đồ dải năng lượ ng

Rà th V



Rào th V bi

30



31

4 4 Điệ d iề hè



4.4 Điện dung miền nghèo

• Đặc tuyến điện dung-điện áp

(Capacitance-voltage characteristics)

• Đánh giá sự phân bố tạp chất(Evaluation of impurity distribution)

• Diode biến dung (Varactor=Varicap)

32



ế



Đặc tuyến điện dung-điện áp

• Phân cực ngược

– Điện dung chuyển tiếp

• Phân cực thuận

–

• Với chuyển tiếp bước 1 bên

34

» Từ hạt dẫn chuyển động

– Điện dung chuyển tiếp

• Đồ thị của 1/C j2 theo V là đường thẳng,Độ dốc của đường thẳng này cho biếtnồng độ tạp chất N B của miền nền

• Phần giao (tại 1/C j2 =0) cho Vbi



35

(f) Điện dung lớp nghèo (Depletion layer capacitance):



(f) Điện dung lớ p nghèo (Depletion layer capacitance):

Xét chuyển tiếp p+n, hay chuyển tiếp 1 bên, sẽ có W:

Điện dung miền nghèo đượ c tính bằng:

( )

D

bis

qN

V V k W

m02 ε=

02

0 )(21

)(2 ε=→

ε===

s D

bi

bi

s D Dc

k qN

V V

C V V

k qN

dV

dW qN

dV

dQC

m

m

36

V V bi − V

2

1 C

D N slope

1∝

Phân cực thuậnPhân cực

ngượ c

Thiết lập đo lườ ng:

W

dW ~

V

vac

Đánh giá sự phân bố tạp chất



Đánh giá sự phân bố tạp chất

Xét chuyển tiếp p+-n với pha tạp chất bên N:

Biểu thức của nồng độ tạp chất ở cạnhmi n n hèo

37

Như vậy ta có thể đo điện dung trên diện

tích đơn vị với điện áp phân cực ngược vàvẽ 1/C j

2 theo V.Độ dốc của đồ thị = d(1/C j

2 )/dV, cho nồngđộ N(W)

Diode biến dung



Diode biến dung(Varactor=Varicap)

Sử dụng tính chất điện dung miền nghèothay đổi theo điện áp phân cực ngược:

Với n=1/3 cho chuyển tiếp biến đổi đềun=1/2 cho chuyển tiếp bướ c

vớ i

38

n>1/2 cho chuyển tiếp hyperabrupt

Với m=-3/2, thì n=2, khi đó varactor này đượcnối với điện cảm L, tần số cộng hưởng:

vớ i

4 5 Đặc tuyến dòng-áp



4.5 Đặc tuyến dòng-áp

• Khi đưa điện áp vào chuyển tiếp p-n nó sẽ phá sự cân bằng chính xácgiữa dòng điện khuếch tán và dòng điện trôi của điện tử và lỗ.

– Với phân cc thun , điện áp đưa vào làm giảm thế tĩnh điện trênmiền nghèo (xem phần giữa hình 16a). Dòng điện trôi bị giảm so

với dòng đin khuch tá n . Ta có sự khuếch tán mạnh hơn của lỗtừ bên P sang N và của điện tử từ bên N sang P. Do đó sự bmht dn thiu s xảy ra (minority carrier injection), nghĩa là, điện

39

ược ơm v o n , r ạ ược ơm v o n .

– Với phân cc ng c , điện áp đưa vào làm tăng thế tĩnh điện trênmiền nghèo (xem phần giữa hình 16b). Điều này làm giảm đángkể dòng điện khuếch tán, dẫn đến kết quả là có dòng đin ngc

nh.• Trong phần này, trước hết ta xét đặc tuyến dòng-áp lý tưởng (ideal

current-voltage characteristics) và sau đó từ các xét ảnh hưởng do sựsinh và tái hợp và do các hiệu ứng khác.

Hình 16. Chuyển tiếp PN với phân cực thuận (VF)



và phân cực ngược (VR)

Miền nghèo

Giản đồdải năng lượng

40

Phân bốhạt dẫn

Phân cực thuận Phân cực ngược



4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng

41

4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưở ng



Giả sử:

• Xấp xỉ miền nghèo bước; bên ngoài miền nghèo giả sử trung hòađiện.• Mật độ hạt dẫn tại các biên liên hệ với hiệu điện thế tĩnh điện trên

chuyển tiếp

• Bơm mức thấp (Low-level injection) mật độ hạt dẫn thiểu số đượcbơm vào phải nhỏ hơn nhiều mật độ hạt dẫn đa số

• Không có sự sinh-tái hợp trong miền điện tích không gian SCR

42

-

(a) Miền nghèo:

C E

V E

Fn E qV

Fp E

W

( )

( )

( )T nnn

T p p p

T i

V V p x p

V V n xn

V V nnp

/ exp)(

/ exp)(

/ exp

0

0

2

=

=−

=

p x−n x

(b) Những miền [tựa] trung hòa (Quasi-neutral



(b) Những miền [tựa] trung hòa (Quasi neutralregions):

• Sử dụng các phương trình liên tục của hạt dẫn thiểu số, ta có

được các biểu thức sau cho các mật độ lỗ và điện tử thừatrong miền tựa trung hòa:

n pT

pnT

L x xV V p p

L x xV V nn

een xn

ee p x p / )( /

0

/ )( / 0

)1()(

)1()(+

−−

−=∆

−=∆

43

)( xn p )( x pn

0n p0 pn

p x− n x x

Phân cực thuận

Phân cực ngược

Miền điện tíchkhông gian W

• Tương ứng với những mật độ dòng khuếch tán:



Tươ ng ứng vớ i những mật độ dòng khuếch tán:

n pT

pnT

L x xV V

n

pndiff

n

L x xV V

p

n pdiff p

ee L

nqD

x J

ee L

pqD x J

/ )( / 0

/ )( / 0

)1()(

)1()(

+

−−

−=

−=

diff diff

Mô hình Shockley

44

p x− n x x

diff

p J minoritydiff

n J minority

pnn ptot −

Không có tái hợ p trong miền SCR

drift n

diff n J J +majoritydrift

pdiff p J J +majority

tot J



Phân bố của

hạt dẫn thiểu sốđược bơm vào

45

Mật độ dòng

điện tử vàlỗ [lý tưởng](J = I/A)

Phân cực thuận Phân cực ngược

(c) Mật độ dòng điện tổng cộng:



( ) ậ ộ g ệ g ộ g

• Dòng tổng cộng bằng tổng của những dòng điện khuếchtán hạt dẫn thiểu số đượ c định ngh ĩ a ở các cạnh của SCR:

1

)()(

/ 00−

+=

−+=

T V V pnn p

p

diff

nn

diff

ptot

en D p D

qA

x I x I I

I

Ge Si GaAs

46

• Dòng bão hòa ngượ c (Reverse saturation current) I S :

n p

+=

+=

An

n

D p

pi

n

pn

p

n ps

N L

D

N L

DqAn

L

n D

L

p DqA I

200

V

Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng



(a) Đồ thị tuyến tính

47

(b) Đồ thị semilog

(d) Nguồn gốc của dòng điện:



g g g ệ

C E

Fn E qV

F E

W

Phân cự c thuận

C E

V E

qV

Fp E

Phân cự c ngượ c

V V q bi − ( )V V q bi +

Ln

48

V E

Fn

W

Dòng bão hòa ngược là docác hạt dẫn thiểu số bị thuthập qua khoảng cách cỡchiều dài khuếch tán.

L p



• Dòng trôi điện tử trong miền tựa trung hòa:



)()(

1)(),(1)( x J xqn

x E x J D D J x J diff

nn

diff p

p

ntot

diff n µ

≈

−+=

)( x J drift n

drift diff tot

tot J

50

x

)( x J diff p

)( x J diff n

nnn

)()( x J x J diff

pdiff n +

(f) Các giớ i hạn của mô hình Shockley :



• Mô hình Shockley (đượ c đơ n giản hóa) mô tả chính xác đặctuyến I-V của các diode Ge ở những mật độ dòng điện thấp.

• Đối vớ i các diode Si và Ge, ngườ i ta cần k ể đến nhiều hiệu

ứng không lý tưở ng quan trọng như: Sự sinh và tái hợ p của các hạt dẫn trong miền nghèo.

51

Những hiệu ứng điện trở n i ti p do sụt áp trong nhữngmiền tựa trung hòa.

Đánh thủng chuyển tiếp xúc ở những phân cực ngược

cao do hiệu ứng đường hầm và ion hóa va chạm.



4.5.2 Những hiệu ứng sinh-tái hợpvà sự bơm [vào] mức cao

52

Những tính chất không lý tưởng trong chuyển tiếp PN:



(A) Những dòng điện sinh và tái hợ p Phương trình liên tục của lỗ:

Trạng thái xác lập và quá trinh

scr J

p p

p RG

x

J

qt

p−+

∂

∂−=

∂

∂ 1

53

• [Mật độ] Dòng tái hợp tại SCR :0,0 ==∂∂ pGt p

∫=

∫−=−−∫ =

−

−−

n

p

n

p

n

p

x

x

pscr

x

x p p pn p

x

x p

dx Rq J

dx Rq x J x J xdJ )()()(

Các điều kiện phân cực ngượ c:



• Nồng độ n và p có thể được bỏ qua trong miền nghèo:

•

−τ+

−τ=τ

τ−=

τ+τ

−≈

T k

E E

T k

E E n

pn

n R

B

t in

B

it pg

g

i

n p

i expexp,11

2

Thời gian sống để sinh hạt dẫn

54

• Dòng bão hòa ngược tổng cộng:

V V W qn

J W qn

J J big

igen

g

igenscr −∝

τ=→

τ−=−=

( )gensV V scr V V

s J J J e J J T

T +− → +−=>

1 /

• Dòng sinh thắng thế khi ni nhỏ, đây là trường hợp thườnghấ á di d Si à G A



thấy trong các diode Si và GaAs.

I (log-scale)

V (log-scale)s AJ

C E

V E

Fn E

Fp E

55

gen AJ W

Đặc tuyến I-V dướ iđiều kiện phân cực ngượ c Các hạt dẫn sinh ra bịquét ra khỏi miền nghèo

Các điều kiện phân cực thuận:



• Nồng độ n và p lớn trong miền nghèo:

• Điều kiện để tốc độ tái hợp cưc đại:

( ) ( )11

/ 2 / 2 1

p pnn

en Rennp

n p

V V iV V

i

T T

+τ++τ

−=→=

V V i

T en pn ==2 / Thời gian sống tái hợ p

56

• Ước lượng dòng tái hợ p:

n precV V

rec

i

n p

V V

i T

T

en pn

en R τ+τ=ττ

=τ+τ

≈

,2 /

/ 2

max

T V V

rec

iscr e

W qn J

2 / max

τ=

• Biểu thức chính xác cho dòng tái hợ p:



• Các sửa đổi với mô hình:

( )

0

2 / 2,

1

2, ε

−=

π=Φτ

Φ=

sbin Dnp

npT

V V

reciscr

k

V V qN E E V e

qn J T

T r V mV

rec

iscr e

qn J

/

τ

Φ=

57

• Dòng thuận tổng cộng:

η → hệ số lý tưởng (ideality factor). Những sai biệt của η với 1 cho biết dòng tái hợ p.

( ) ( 11 /

, / /

−=τ

Φ+−=

η T T r T V V eff s

V mV

rec

iV V s e J e

qne J J

• Sự quan trọng của các hiệu ứng tái hợ p:



Điện áp thấp, ni

nhỏ → dòng tái hợp thắng thế

Điện áp lớ n → dòng khuếch tán thắng thế

log( I )

J

58

V d AJ

AJ

• Ở mức dòng điện thấp, dòng tái hợp thắng thế và η =2.

• Ở mức dòng điện cao hơn, dòng khuếch tán thắng thế và η tiến tới 1.



59

So sánh đặc tuyến I-V phân cực thuận của diode Si và GaAs ở 300K.

Các đường đứt nét chỉ các độ dốc với các hệ số lý tưởng khác.



Điện trở nối tiếp RS



Miền

nghèo

61

At higher current level, the effect of series resistance kicks inNeeds a larger applied voltage to achieve the same level of current

Ảnh hưởng của điện trở nối tiếp



62

Đặc tuyến semilog của dòng điện diode ở phân cực thuận



63



4.6 Các mô hình

64

Các mô hình diode(chưa xét đến đánh thủng ngược)



65

Mô hình diode lý tưở ng

(xấp xỉ bậc 1)Mô hình sụt áp hằng

(xấp xỉ bậc 2)Mô hình với điện trở thuận

(xấp xỉ bậc 3)

• r D là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có VDQ >VON) = V T /I DQ

• VON=0.7V vớ i Si

Các cấp điện trởẫ C AC



• Bán dẫn hoạt động khác nhau với dòng điện DC và AC.

• Có 3 loại điện trở – Điện trở tĩ nh hay DC :

RD = VD /ID

– Điện trở động hay AC:

rd = ∆VD / ∆ID – Điện trở AC trung bình:

66

rd = ∆VD / ∆ID (từ điểm đến điểm)

Điện trở tĩ nh RD Điện trở động r d Điện trở AC trung bình

Mô hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model):

( )D TV /nVThe diode I V characteristics: I I e ass me V V>>

Đặc tuyến dòng áp (I V): iả ử



( )D T

d T

/

D s D T

D D D d

D

v (t)/nV

D D

d T

The diode I-V characteristics: I I e assume V V

For an instantaneous voltage v (t): v (t) V v (t)

then we have the instantaneous current i (t):

i (t) I e

if v (t)/nV 1, that is, a small

= >>

= +

=

<<

d Tv (t)/nV d DD D D D d

signal assumption

v (t) Ii (t) I e I (1 ) I v (t)= = + + ≈ +L

Đặc tuyến dòng-áp (I-V): giả sử

Với điện áp tức thờ iThì ta có dòng điện áp tức thời là

Nếu nghỉa là giả sử tín hiệu nhỏ

67

T T

D D d

Dd d

T

n n

Since i (t) I i (t) DC AC;

We can have the AC i-v components:

Ii (t) v (t)

nVSo, we can also have the small-signal resistance (or the

= + = +

=

( )d Td

d D

incremental resistance)

v (t) nVr Ω

i (t) I= =

Nếu

Ta có các thành phần i-v AC

Vì vậy, ta có điện trở tín hiệu nhỏ

Circuit Model



Categories of Circuit I-V Models:

• Exponential (physical);

• Piecewise Linear;• Constant Voltage Drop;

• Ideal-diode;

Non-Linear Model

• Exponential (physical);

• Piecewise Linear;• Constant Voltage Drop;

• Ideal-diode;

Non-Linear Model

68

• Small signal (linear approximation);

Reference : Table 3_1

• Small signal (linear approximation);

Reference : Table 3_1



69



70



71



Example of the Branch Current Calculation :



Example of the Branch Current Calculation :(based on the ideal-diode model)

73

i



Constant Voltage Drop Model:

v0.7V

ON0.7vfor0,valuepositiveanyi

OFF0.7vfor0,i

⇔≥>=

⇔<=

74

0.7V

9.3mA



Piecewise Linear Model:

( )ONVvfor,

Vi

OFFVvfor0,i

D,0

D,0

D,0

⇔≥−

=

⇔<=

Dr

V

75

VD,0

9.1mA



=

≈−= ⋅⋅

t

s

tvv/ns

tvv/ns

25mV);(voltagethermaltheisv

current;scaleor thecurrentsaturationtheisI

where

eI1)(eIi:currentdiodebias-forwardThe*

77

=

=−

1

210t

1

2t12

21

I

IlogV2.3n

I

IlnnVVV

havecanwe

,IandI currentsdiodeFor two

factor.idealtheisn



Temperature Effect on the diode current:

•At a given constant current the voltage dropacross the diode decreases by approximately

2mV for every 1°C increase in temperature.

78•See the practice before!

-14



Ex. Using the fact that a silicon diode has Is=10-14

A at 25 °Cand that Is increases by 15% per °C rise in temperature,find the value of Is at 125 °C.

C25@A10I

:Sol

14

s

−= o

79

(A)101.17410(1.15))(125I

)(25I15%)(1(T)I

C125@A?I

814100

s

s1

)25(T

s

s

−−

−

×=⋅=

⇒

⋅+=

=

o

o

o

o

o



•Graphical Analysis: read out the intersection point directly!

81

•Iterative Analysis: Device I-V + Load Line Current Conservation.



R

VV

I :V-I Load

nV

VexpII :V-IDiode

DDD

D

t

DsD

−

=

= (Ex.3.4) practice.

82

Original guess

Small Signal Model:



( )

Itv

assumptionsignalsmallais,that1,(t)/nVvif eI(t)i

:(t)icurrentousinstantanethehavethen we

(t)vV(t)v:(t)vvoltageousinstantaneanFor

VVassumeeII:sticscharacteriV-IdiodeThe

td

(t)/nVv

DD

D

dDDD

tD /nVV

sD

td

tD

<<=

+=

>>=

83

( )ΩI

nV

(t)i

(t)vr

)resistancelincrementa(or theresistancesignal-smallthehavealsocanweSo,

(t)vnV

I(t)i

:componentsv-iACthehavecanWe

AC;DC(t)iI(t)iSince

tvnVnV

et

D

t

d

dd

d

t

Dd

dDD

d

t

D

t

DDDt

==

=

+=+=

+≈++== L

Resistance levels



• DC or Static resistance

• AC or Dynamic resistance

•

84

DC or Static resistance



85

AC or Dynamic resistance



Forward bias region:

• The resistance depends on the amount of current(ID) in the diode.

• The volta e across the diode is fairl constant 26 mA for 25 C .

86

• rB ranges from a typical 0.1 Ohms for high power device to 2 Ohmsfor low power, general purpose diodes.

Reverse bias region:

• The resistance is infinite. The diode acts like an open.

AC or Dynamic resistance(cont’d)



87

Average AC resistance



88



89

Diode specification sheets



90

dcbd ch04 chuyen tiep pn

Documents