Chuyển tiếp PN (PN junction

ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương Chuyển tiếp PN (PN Junction) Nội dung chương Chuyển tiếp PN – Giới thiệu khái niệm Điều kiện cân nhiệt Miền nghèo Điện dung miền nghèo Đặc tuyến dịng-áp Các mơ hình diode bán dẫn Điện tích chứa q trình độ Đánh thủng chuyển tiếp Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction) 10 Các loại diode bán dẫn 11 Giới thiệu ứng dụng diode bán dẫn 4.6 Các mơ hình diode bán dẫn Các mơ hình diode (chưa xét đến đánh thủng ngược) Mơ hình diode lý tưởng (xấp xỉ bậc 1) Mơ hình sụt áp (xấp xỉ bậc 2) Mơ hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 3) • VON=0.7V với Si • rD điện trở thuận = dV/dI điểm Q (có VDQ >VON) = VT/IDQ Các cấp điện trở • Bán dẫn hoạt động khác với dịng điện DC AC • Có loại điện trở – Điện trở tĩnh hay DC : RD = VD/ID – Điện trở động hay AC: rd = ∆VD/ ∆ID định nghĩa tổng quát rd = dVD/dID ( = VT/ID điểm VD > VON) – Điện trở AC trung bình: Điện trở tĩnh RD rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm) Điện trở động rd Điện trở AC trung bình  Mơ hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model): The diode characteristics: I D  Ise V Đặc tuyến I-V dòng-áp (I-V): D /nVT giả sử VD  VT   assume For an instantaneous Với điện áp tức thờivoltage v D (t): v D (t)  VD  v d (t) thenta wecóhave theđiện instantaneous current Thì dịng áp tức thời i D (t): i D (t)  I D e vd (t)/nVT nghỉa sử tín hiệuassumption nhỏ signal is,làa giả small Nếuif v d (t)/nVT  1, that i D (t)  I D e vd (t)/nVT  I D (1  v d (t) I   )  I D  D v d (t) nVT nVT Nếu i D (t)  I D  i d (t)  DC  AC; Since We can thephần AC i-v i-vAC components: Ta có cáchave thành I i d (t)  D v d (t) nVT So, we can thehiệu small-signal resistance (or the incremental resistance) Vì vậy, ta cóalso điệnhave trở tín nhỏ v d (t) nVT rd   i d (t) ID Ω Circuit Model Categories of Circuit I-V Models: • • • • • Exponential (physical); Piecewise Linear; Non-Linear Model Constant Voltage Drop; Ideal-diode; Small signal (linear approximation);  Reference : Table 3_1 10 • To solve exactly this problem and find diode switching time, is a rather difficult task To simplify the problem, we make the crucial assumption that IR remains constant even beyond t1 • The differential equation to be solved and the initial condition are, thus, of the form:  IR  dQ p dt  Qp p , Q p (0  )  Q p (0  )   p I F • This gives the following final solution: Q p ( t )    p I R   p  I F  I R e • Diode switching time: Q p (trr )   t rr t /  p  IF    p ln 1    IR  39 • Graphical representation: Va (t ) pn ( x , t ) t Slope almost constant  VR t=0 pn t=ts ttrr ts  switching time trr  reverse recovery time x IF  1I R ts trr t  IR 40 4.8 Đánh thủng chuyển tiếp PN 41 Đánh thủng phân cực ngược • Chuyển tiếp PN bị phân cực ngược cho dịng bão hịa ngược gần phụ thuộc áp ngược, điều phân cực ngược đạt đến tới hạn, có đánh thủng (breakdown) xảy Người ta gọi điện áp tới hạn điện áp đánh thủng VBR , dịng ngược qua diode tăng nhanh, có dịng tương đối lớn chạy qua chuyển tiếp với sụt áp gần khơng đổi • Đánh thủng ngược chế, mà chế cần điện trường tới hạn miền chuyển tiếp - Đánh thủng đường hầm (hay Zener) : hoạt động điện áp thấp (vài Volts) - Đánh thủng thác lủ: hoạt động với điện áp cao (vài Volts đến hàng chục ngàn Volts) 42 Reverse breakdown in a p-n junction 43 Đánh thủng chuyển tiếp • Hiệu ứng xuyên hầm (Tunneling effect) • Nhân thác lũ (Avalanche multiplication) – Đặt giới hạn cao phân cực ngược với hầu hết diode – Giới hạn điện áp collector BJT – Giới hạn điện áp drain MOSFET – Có thể tạo cơng suất vi-ba (microwave), diode IMPATT – Phát tín hiệu quang diode quang thác lũ (avalanche photodetector) 44 Hiệu ứng đường hầm (Tunnel effect) Đánh thủng đường hầm xảy chuyển tiếp pn pha nhiều tạp chất có bề rộng miền nghèo W khoảng 10 nm • Khi có điện trường E cao (cùng chiều điện trường nội miền nghèo): – Di chuyển điện tử hóa trị từ dải hóa trị sang dải dẫn (xuyên hầm = tunneling) – Xảy điện trường cao • Si, GaAs 106V/cm • Pha tạp chất cao, 5x1017cm-3 – Hệ số nhiệt âm (TCVBR