Giáo trình CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Chương 2 docx

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 15 CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN - DIODE BÁN DẪN Trước tiên, nội dung của chương 2 sẽ giới thiệu về tiếp giáp pn. Tiếp giáp pn là phần tử chính của các cấu kiện bán dẫn và nếu chỉ xét một tiếp giáp pn thì được gọi là diode tiếp giáp, một cấu kiện rất quan trọng trong điện tử. Tuy nhiên, có lẽ đáng kể hơn, tiếp giáp pn hiện nay có thể vẫn là phần cơ bản của hầu hế t các dụng cụ bán dẫn khác nhau và cả các mạch vi điện tử, nên cần phải hiểu về tiếp giáp pn trước khi khảo sát các cấu kiện bán dẫn khác ở các chương tiếp theo. Cấu kiện điện tử đơn giản nhất được gọi là diode. Diode bán dẫn được kết hợp bằng hai vật liệu khác loại được gắn kết với nhau theo kiểu sao cho điện tích dễ dàng chả y theo một chiều nhưng sẽ bị ngăn cản theo chiều ngược lại. Diode đã được phát minh bởi Henry Dunwoody vào năm 1906 khi ông đặt một mẫu carborundum vào giữa hai vòng kẹp bằng đồng vào lò điện. Sau đó một vài năm, Greeleaf Pickard đã phát minh bộ tách sóng vô tuyến tinh. Các nghiên cứu khác nhau được diễn ra trong khoảng thời gian từ 1906 đến 1940 đã cho thấy rằng silicon và germanium là những loại vật liệu rất tốt dùng để chế t ạo các diode bán dẫn. Nhiều vấn đề khó khăn đã được khắc phục về cấu trúc và công nghệ chế tạo các diode. Cho đến những năm giữa thập niên 1950, các nhà chế tạo đã giải quyết được vấn đề khó khăn nhất. Trong thời kỳ bùng nổ về công nghệ những năm cuối thập niên1950 và đầu thập niên 1960, công nghệ bán dẫn đã đạt được thành tựu lớn đ áng chú ý, do nhu cầu phải có các cấu kiện điện tử trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, và tiêu thụ mức nguồn thấp dùng cho việc phát triển tên lửa liên lục địa và các tàu vũ trụ. Nhiệm vụ quan trọng đã được đặt ra trong việc chế tạo các cấu kiện bán dẫn để có thể nhận được độ tin cậy cao trong các ứng dụng mà trong đó không thể thực hiện việc bả o dưỡng. Kết quả là đã phát triển cấu kiện bán dẫn rẽ hơn và độ tin cậy cao hơn so với các đèn chân không. Nội dung cơ bản của chương sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của diode bán dẫn, loại cấu kiện hai điện cực, kích thước nhỏ, không tuyến tính (nghĩa là khi áp đặt tổng hai mức điện áp sẽ tạo ra mức dòng đ iện không bằng tổng của hai mức dòng riêng tạo thành). Diode hoạt động tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào. Đặc tuyến không tuyến tính của diode là lý do diode có trong nhiều mạch điện tử ứng dụng. Tiếp theo sẽ phân tích và khảo sát mạch tương đương của diode tiếp giáp silicon, giải thích một số ứng dụng quan trọng của diode. Diode zener cũng được giới thiệu và khảo sát việc sử dụng diode zener để điều hòa điện áp, cũng như cách thiết kế mạch diode zener. Giới thiệu một số loại diode chuyên dụng khác như diode Schottky, diode biến dung, diode phát quang [light-emitting diode LED], và photodiode. 2.1 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 16 Ở chương 1, cả hai loại vật liệu bán dẫn tạp n và p đã được xem xét. Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp được tạo thành bằng cách ghép nối đơn giản hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n và p với nhau (cấu trúc dựa trên cùng một loại bán dẫn Si hoặc Ge), như mô tả ở hình 2.1a. Trong thực tế, diode có thể được chế tạo bằng cách: Trước tiên, người ta lấy m ột mẫu bán dẫn tạp dạng n có nồng độ pha tạp N D và tiến hành biến đổi chọn lọc một phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung các tạp chất acceptor có nồng độ N A > N D . Vùng bán dẫn tạp dạng p được gọi là anode còn vùng n được gọi là cathode của diode. Ký hiệu mạch của diode như ở hình 2.1c. Tiếp giáp pn là bộ phận cơ bản của tất cả các cấu kiện bán dẫn và các vi mạch điện tử (IC). Để đơn giản, với giả thiết không có các thế hiệu ngoài đặt vào mẫu tinh thể, và mật độ hạt tải điện chỉ ph ụ thuộc vào phương x, ta có thể xét một diode tiếp giáp pn, tương tự như hình 2.1, ở vùng vật liệu bán dẫn tạp dạng - p có N A = 10 17 (nguyên tử /cm 3 ) và N D = 10 16 (nguyên tử/cm 3 ) ở vùng vật liệu n. Như vậy, các nồng độ điện tử và lỗ trống ở hai phía của tiếp giáp sẽ là: Vùng bán dẫn tạp p có p p = 10 17 (lỗ trống/cm 3 ) và n p ≈ 10 3 (điện tử/cm 3 ) Vùng bán dẫn tạp n có p n ≈ 10 4 (lỗ trống/cm 3 ) và n n = 10 16 (điện tử/cm 3 ) Với các nồng độ pha tạp trên, ta có thể vẽ giản đồ biểu diễn nồng độ theo thang loga như hình 2.2a, ở phía bán dẫn p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống rất lớn, ngược lại ở phía bán dẫn n có nồng độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều. Cũng vậy, nồng độ điện tử rất lớn ở phía bán dẫn n và nồng độ điện tử rất nhỏ ở phía bán dẫn p. Do có sự chênh lệch về nồng độ ở hai phía của tiếp giáp nên sẽ có sự khuyếch tán xảy ra qua tiếp giáp pn. Các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao ở phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp ở phía bán dẫn n, còn các điện tử sẽ khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫ n p như ở hình 2.2b, và c. Từ phương trình (1.17), mật độ dòng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống có thêm chỉ số 0 ở nồng độ điện tử và lỗ trống để chỉ rõ là xét ở trạng thái cân bằng: dx dp J dx dn J 0 n kh.taïn p 0 n kh.taïn n qD qD −= = (2.1) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 17 Thông thường, nếu quá trình khuyếch tán là liên tục và không suy giảm, thì sẽ dẫn đến sự đồng nhất về nồng độ của các điện tử và lỗ trống trong toàn bộ vùng bán dẫn và sẽ không tồn tại tiếp giáp pn. Nhưng do sự khuyếch tán của các hạt mang điện tích, mà hình thành hai vùng điện tích trái dấu bởi các ion, nên có một quá trình bù trừ khác được thiết lập để cân bằng với dòng khuyếch tán, đó là dòng trôi, phát sinh t ừ vùng lân cận lớp tiếp giáp như mô tả ở hình 2.3. Khi các lỗ trống di chuyển ra khỏi vùng vật liệu bán dẫn p sẽ để lại các ion của nguyên tử acceptor mang điện tích âm, không di chuyển. Tương tự, các điện tử khi di chuyển ra khỏi vùng vật liệu bán dẫn n sẽ để lại các nguyên tử donor đã bị ion hóa không di chuyển, mang điện tích dương, nghĩa là ngay lập tức sẽ hình thành mộ t vùng điện tích trái dấu hay một lớp mõng các ion không trung hoà, xung quanh tiếp giáp, vì rất ít các hạt tải điện tự do trong vùng này, nên được gọi là vùng điện tích không gian [SCR] hay gọi đơn giản là vùng nghèo. Hình 2.4a, cho thấy sự phân bố điện tích ở tiếp giáp. Mật độ điện tích trong vùng điện tích không gian sẽ bằng tích của nồng độ tạp chất và điện tích của mỗi ion. Sự trung hoà về điện tích ở hai phía tiếp giáp pn đòi hỏi diện tích của hai hình chữ nhật phải bằng nhau. Với các mức pha tạp đã cho ở trên, do acceptor có mật độ cao hơn, nên lớp điện tích không gian âm mõng hơn so với vùng điện tích không gian dương. Theo lý thuyết trường điện từ, từ sự phân bố điện tích không gian, Q (C/cm 3 ), ta có thể suy ra sự phân bố điện trường (V/cm) qua định luật Gauss theo một hướng: s Q x E ε = ∂ ∂ (2.2) trong đó: Q là mật độ điện tích không gian, và os , ε = ε 811 là hằng số điện môi của chất bán dẫn, với F/cm1085,8 14− ×= o ε là hằng số điện môi của không khí. Tại vùng trung hoà hay tựa trung hoà [QNR] về điện tích ở phía bán dẫn p, điện trường bằng 0 khi p xx −= , nên tính tích phân phương trình (2.2) theo vùng điện tích không gian có mật độ điện tích A q N Q −= : 0.x )x( q pp s A x p x s <<−+ ε − = ε = ∫ − xx N dx Q E (2.3) Ở phía bán dẫn n, điện trường E phải bằng 0 tại điểm bắt đầu của vùng trung hoà: n x= x CU KIN IN T BIấN SON DQB, B/M TVT-HKT CHNG 2: TIP GIP PN & DIODE BN DN 18 .x0 )x( qq nn s D x n x s D << = = xx N dx N E (2.4) T (2.3) & (2.4) ta thy rng, cng in trng ti im tip giỏp ( x = 0) phi cú giỏ tr ln nht nờn c v nh hỡnh 2.4b,. in trng phi liờn tc ti x = 0, nờn ta cú: nDpA xx N N = (2.5) Phng trỡnh (2.5) chng t rng, vựng in tớch khụng gian s m rng v phớa cú mc pha tp loóng hn. in trng c hỡnh thnh do vựng in tớch khụng gian s "quột" cỏc ht ti in ra khi vựng in tớch khụng gian, kt qu l cú mt dũng trụi ca in t v l trng, t phng trỡnh (1.12) v (1.13): E p J E n J p0 t rọi pn0 t rọi n q;q àà == (2.6) Ngoi ra, ti x = 0, in trng E cú giỏ tr õm (in trng E ngc chiu vi chiu tng ca x), nờn dũng trụi ca cỏc in t cú chiu t phớa bỏn dn p sang phớa bỏn dn n (tc l dũng cỏc ht ti in thiu s), nhng dũng khuych tỏn ca cỏc in t l t phớa bỏn dn n sang phớa bỏn dn p (dũng cỏc ht ti in a s), do vy, trong mt tip giỏp pn, cú hai thnh phn dũng l mt dũng in t khuych tỏn v trụi luụn luụn ngc chiu nhau. Cú th xột tng t i vi dũng khuych tỏn v trụi ca cỏc l trng. trng thỏi cõn bng (tc trng thỏi khụng cú in th ngoi t vo tip giỏp, khụng cú dũng chy thc qua tip giỏp), dũng khuych tỏn s cõn bng vi dũng trụi. iu ny cú ngha l rng ca lp in tớch khụng gian s n nh ti mt giỏ tr no ú m mi in t khuych tỏn n vựng bỏn dn p di nh hng ca gradient nng cao ca in t s c cõn bng bi mt in t i vo vựng in tớch khụng gian t vựng p c quột bi in trng sang phớa bỏn dn n, tc l: 0qqD n0 0 n trọi n kh.taùn nn =à+=+= En dx dn JJJ (2.7) Cú th lp lun tng t ỏp dng cho cỏc l trng cú J p . Trong phm vi vựng in tớch khụng gian, mt s lng ln cỏc ht ti di dng chuyn ng. S phõn b ht ti l dũng khuych tỏn cao s trit tiờu ngay dũng trụi cao c to ra bi in trng thit lp ti thi im cõn bng. S cõn bng ca cỏc dũng trụi v khuych tỏn cú th b xỏo trn khi ỏp t in th ngoi vo tip giỏp.Thc t cho thy r ng cỏc trng thỏi nng lng ca dói dn (v dói hoỏ tr) cú giỏ tr cao hn vt liu bỏn dn p so vi cỏc trng thỏi nng lng vt liu bỏn dn n. Nng lng trung bỡnh ca cỏc in t t do vựng p l gn vi dói hoỏ tr hn do cỏc trng thỏi acceptor, ngc li vt liu bỏn dn n nng lng trung bỡnh ca cỏc in t t do l gn vi dói dn hn do cú nhiu in t cỏc trng thỏi donor. Tuy nhiờn, cú s cõn bng khi tip xỳc hai vựng, thỡ nng lng trung bỡnh ca in t phi ng nht, núi cỏch khỏc xut hin s chuyn tip nng lng. Cỏc mc nng lng cao hn ca dói dn v dói hoỏ tr phớa bỏn dn p ca tip giỏp tng ng vi mt th hiu tip xỳc [contact potential] B , tn ti ngang qua vựng nghốo. V bn cht, th tip xỳc tng ng vi ro th m mt in t phi vt qua khuych tỏn ngang qua tip giỏp. S bin i th hiu ngang qua vựng in tớch khụng gian cú th tớnh bng cỏch ly tớch phõn in trng, = EdxV . Da vo hỡnh 2.4c. S dng giỏ tr in trng cỏc phng trỡnh (2.3) v (2.4), ta cú: )xx( 2 q )(x q )x( q 2 nD 2 pA s n x 0 n s D 0 p x p s A n x p x NNdxx N dxx N EdxV + =++ == (2.8) trng thỏi cõn bng, õy chớnh l th tip xỳc B [Built-in potential] (hay cũn gi l j ). CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 19 Trong thực tế, để xác định giá trị của B φ ở trạng thái cân bằng, dòng trôi sẽ bằng về độ lớn nhưng ngược chiều với dòng khuyếch tán. Từ phương trình (2.7), ta có thể cân bằng các thành phần dòng điện tử: En dx dn n0 0 n qqD µ−= (2.9) trong đó: n 0 là nồng độ của điện tử trong vùng điện tích không gian ở điều kiện cân bằng. Kết hợp với hệ thức Einstein (phương trình 1.19), ta có: Edx n dn V −= 0 0 T (2.10) Lấy tích phân ngang qua vùng điện tích không gian, ta có: ∫∫ − −= n x p x no po 0 0 T Edx n dn V n n (2.11) trong đó: n no là nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng ở phía bán dẫn n, và n po là nồng độ điện tử cân bằng ở phía bán dẫn p. Số hạng tích phân phía trái chính là thế tiếp xúc B φ , vậy ta có: po no TB ln n n V=φ (2.12) Vì A 2 ipoDno / vaì NnnNn == , nên phương trình (2.12), có thể được viết như sau: 2 i AD TB ln n N N V=φ (2.13) Vậy thế tiếp xúc chỉ liên quan với các mức pha tạp và nhiệt độ của tiếp giáp (vì n i phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ). Tóm lại, thế tiếp xúc là rào thế tiếp xúc cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng của tiếp giáp pn. Ta không thể đo được thế tiếp xúc bằng một voltmeter, nhưng vẫn có sự thiết lập các mức thế tiếp xúc khi chế tạo tiếp giáp bán dẫn. Bằng cách kết hợp các phương trình (2.6) và (2.8), ta có thể xác định độ rộng của các lớp điện tích không gian: 1/2 A 2 D D Bs n0 2 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + φε = N N Nq x và 1/2 D 2 A A Bs p0 2 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + φε = N N Nq x (2.14) Tổng độ rộng vùng điện tích không gian của tiếp giáp pn ở trạng thái cân bằng: 1/2 DA DABs p0n0d0 q )( 2 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +φε =+= NN NN xxx (2.15) Điện trường tại tâm tiếp giáp pn ở trạng thái cân bằng: 1/2 DAs DAB 0 )( 2 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +ε φ = NN NNq E (2.16) Ví dụ 2.1: Một tiếp giáp pn được chế tạo bằng cách pha tạp vào mẫu tinh thể Si có: N N 33 donor/cm nguyãn t æ ív a ìmacceptor/c nguyãn t æ í 16 D 17 A 1010 == , tại nhiệt độ T = 300K. Tính thế tiếp xúc của tiếp giáp và độ dày của lớp điện tích không gian x p và x n . Giải: 3 /cmâiãûn t æ í ,n ;, o 109 i 14 1010766F/cm10858 ≈×=×= − ε . Suy ra: F/cm10041)10858)(811(811 1214 oS −− ×=×=×= ,,,, εε Tại 300 o K, ta có 0,025VkT/q T ≅= V . Vì vậy từ phương trình (2.13), V )/cm(10 )/cm(10 )/cm(10 ln V)(0,025ln 320 316317 2 i DA TB 7480, = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = n NN V φ . Thay giá trị của thế tiếp xúc vào phương trình (2.14), CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 20 cm 100 )10)(1010(1,6 )(0,748V)102(1,04 3 1/2 151619 12 − − − ×= ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +× × = 0297 p ,x cm100 3 D A pn − ×== 297,x N N x Từ phương trình (2.14), có thể có ba loại tiếp giáp pn được chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau, với mật độ điện tích biểu diễn như ở hình 2.5: - Tiếp giáp đối xứng: n0p0DA x x N N = ⇒= . - Tiếp giáp bất đối xứng: n0p0DA x x N N < ⇒> . - Tiếp giáp bất đối xứng lớn, tức là tiếp giáp p + n: D 1/2 D Js d0n0p0DA 1 q 2 N N xxxNN ∝ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ φ ≈≈<<⇒>> ε (2.17) D 1/2 s DJ 0 2q N N E ∝ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ε φ ≈ (2.18) Phía bán dẫn được pha tạp loãng sẽ quyết định các đặc tính tĩnh điện của tiếp giáp pn. Giá trị thế tiếp xúc tồn tại khi có tiếp giáp pn như đã xét ở trên, nhưng trong thực tế không thể đo được bằng voltmeter do các thành phần thế tiếp xúc tại các tiếp giáp bán dẫn - kim loại. Các tiếp xúc bán dẫn - kim loại là các tiếp giáp củ a các vật liệu không đồng nhất, nên sẽ có các thành phần thế tiếp xúc là: mpmn ,φφ được xác định như ở hình 2.6. Do sự chênh lệch điện thế ngang qua cấu trúc của diode phải bằng 0, nên trong thực tế không thể đo được thành phần thế tiếp giáp B φ trên hai đầu của diode bằng voltmeter !. mpmnB φ + φ = φ (2.19) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 21 2.2 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI PHÂN CỰC. Trong các mạch điện tử, phân cực là đặt cưỡng bức nguồn một chiều (dc) lên cấu kiện bán dẫn bằng nguồn ngoài (V D ). Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn nối về phía anode và đầu âm nối về phía cathode của diode thì gọi là phân cực thuận, (tức V D > 0), nếu đảo ngược nguồn áp thì gọi là phân cực nghịch (V D < 0). Hình 2.7, cho thấy mạch của diode tiếp giáp pn khi được phân cực thuận. Với sụt áp ở các vùng trung hoà và tiếp giáp kim loại bán dẫn không đáng kể, điện áp V D sẽ tạo ra điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích không gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc nếu được phân cực thuận, nên sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu quả. Điện thế tiếp xúc sẽ giảm xuống (hình 2.8). Tương tự đối với trường hợp phân cực ngược hiệu thế ti ếp xúc sẽ tăng lên. Vậy chênh lệch thế hiệu qua tiếp giáp (còn gọi là rào thế [potential "barrier"]) sẽ là: - Ở trạng thái cân bằng là: B φ - Ở trạng thái phân cực thuận: BDB φ<−φ V - Ở trạng thái phân cực ngược: 0)(vç DBDB < φ > − φ V V Các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo của tiếp giáp pn ở trạng thái phân cực có thể mô tả như ở hình 2.9. Khi phân cực thuận: thế tiếp xúc giảm, tức E giảm nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo d x hẹp lại. Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo d x tăng lên. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 22 Hai vùng điện tích của vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh thế hiệu đặt trên tiếp giáp. Vì vậy, các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo khi phân cực tương tự như các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo ở trạng thái cân bằng nếu thay thế B φ bằng DB V −φ . Suy ra: 1/2 DDA ADBs Dn ) q( )(2 )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −φε = NNN NV Vx 1/2 ADA DDBs Dp ) q( )(2 )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −φε = NNN NV Vx (2.20) 1/2 DA DADBs Dd q ))((2 )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +−φε = NN NNV Vx (2.21) 1/2 DAs DADB D )( )2q( )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +ε −φ = NN NNV VE (2.22) Hoặc có thể viết dưới dạng: B D n0Dn 1 )( φ −= V xVx B D p0Dp 1 )( φ −= V xVx (2.23) B D d0Dd 1 )( φ −= V xVx (2.24) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 23 B D 0D 1 )( φ −= V EVE (2.25) trong đó: 0d0p0n0 ;&;; E x x x là các đại lượng tương ứng ở trạng thái cân bằng. Ở tiếp giáp pn bất đối xứng lớn, nghĩa là được pha tạp với nồng độ ở hai phía tiếp giáp lớn, ví dụ N A >> N D , xấp xỉ các biểu thức của độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn n, x n ; độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn p tức x p , độ rộng vùng nghèo tổng x d , điện trường E, và thế tiếp xúc B φ , ta thấy rằng tất cả các thay đổi xảy ra ở phía pha tạp thấp nhất (hình 2.10). 2.3 PHƯƠNG TRÌNH DIODE VÀ ĐẶC TUYẾN I - V CỦA DIODE. Như đã xét ở trên, bằng việc áp đặt điện áp phân cực cho tiếp giáp pn làm cho vùng nghèo sẽ rộng ra hay co hẹp lại, và cho dòng điện chỉnh lưu, ngoài ra cũng có sự lưu trữ điện tích của hạt tải điện. Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, có sự cân bằng động giữa dòng trôi và dòng khuyếch tán của điện t ử và lỗ trống: kh.taïnträi J J = . Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân cực thuận 0)( D >V , rào thế tiếp giáp sẽ giảm, ↓−φ )( DB V , nên sẽ làm cho điện trường qua vùng nghèo giảm, ↓ SCR E , và dòng trôi giảm xuống, ↓ träi J . Sự cân bằng giữa hai thành phần dòng qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là: kh.taïnträi J J < , như mô tả ở hình 2.11. Dòng khuyếch tán thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện "thiểu số" phóng thích vào hai vùng trung hoà, nên có sự vượt trội nồng độ hạt tải điện thiểu số ở hai vùng trung hoà. Vậy một lượng lớn hạt tải điện đa số khuyếch tán vào hai vùng trung hoà có thể tạo ra dòng điện lớn chảy qua tiếp giáp. Mặt khác, khi phân cực ngược )0( < D V , rào thế tiếp giáp sẽ tăng, ↑−φ )( DB V , nên sẽ làm cho điện trường qua vùng nghèo tăng, ↑ SCR E , và dòng trôi tăng lên, ↑ träi J . Sự cân bằng giữa hai thành phần dòng qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là: kh.taïnträi J J > như ở hình 2.12. Dòng trôi thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện thiểu số bị rút ra khỏi hai vùng trung hoà, nên có sự sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số trong hai vùng trung hoà. Có rất ít hạt tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà nên chi cho một dòng điện nhỏ. Do đó, khi phân cực thuận cho diode tiếp giáp pn thì các hạt tải điện thiểu số phóng thích sẽ khuyếch tán qua vùng trung hoà, tạo ra sự tái hợp tại bề mặt bán dẫn. Khi phân cực ngược, các CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 24 hạt tải điện thiểu số rút ra khỏi vùng nghèo, tạo ra sự tái sinh tại bề mặt và khuyếch tán qua vùng trung hoà.Vậy khi phân cực thuận sẽ có dòng điên lớn do khuyếch tán các hạt tải điện đa số; còn khi phân cực ngược sẽ có dòng trôi nhỏ do các hạt tải điện thiểu số như thể hiện ở hình 2.13. Để có độ lớn của dòng điện chảy qua diode, cần phải tính n ồng độ các hạt tải điện thiểu số tại hai biên vùng nghèo là p(x n ) và n(- x p ), và tính dòng khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số trong mỗi vùng trung hoà là I n và I p , sau đó tính tổng dòng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống, pn I I I += . Từ quan hệ giữa thế hiệu và nồng độ hạt tải điện tại các điểm theo phương x, ta có tỷ số nồng độ điện tử và lỗ trống tại hai biên của vùng nghèo ở trạng thái phân cực, tức trạng thái tương ứng với taïnkh.träi JJ ≠ : kT )q( exp kT )]x(-)(xq[ exp )x( )(x DB pn p n V n n −φ = − φ φ ≈ − và tỷ số nồng độ lỗ trống tại hai biên vùng nghèo khi phân cực cho tiếp giáp: kT )q( exp kT )]x(-)(xq[ exp )x( )(x DB pn p n V p p −φ− = − φ φ − ≈ − Nhưng nồng độ điện tử và lỗ trống ngay tại hai biên xấp xỉ bằng nồng độ pha tạp, được gọi là xấp xỉ phóng thích mức thấp: Dn )(x N n ≈ và Ap ) x ( N p ≈ − , nên ta có: kT )q( exp)x( BD Dp φ − ≈− V Nn (2.29) và: kT )q( exp)(x BD An φ − ≈ V Np (2.30) Với giá trị thế tiếp xúc là: 2 i AD B n ln q kT N N =φ thay vào phương trình )(-x p n và )(x n p , sẽ nhận được nồng độ hạt tải điện thiểu số tại hai biên [...]... phương trình (2. 42) để tính độ dốc tại mức dòng iD cố định bất kỳ Độ dốc là độ dẫn điện tương đương của cấu kiện diD I S [exp(vD /nVT )] = (2. 44) dvD nVT BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 28 Từ phương trình diode cơ bản (2. 42) , ta có: ⎛ v ⎞ i exp⎜ D ⎟ = D + 1 ⎜ nV ⎟ I S ⎝ T⎠ Thay vào phương trình độ dẫn điện (2. 44), ta nhận được: diD iD + I S = (2. 45)... kiện biên tại vị trí (− Wp ) là độ rộng vùng trung hoà của bán dẫn - p, ta có: 2 n2 qV ni n(− x p ) = i exp D và: kT NA NA Phương trình biểu diễn nồng độ điện tử tại điểm x trong vùng trung hoà phía bán dẫn - p: np (- x p ) - np (-Wp ) np ( x ) = np (- x p ) + (x + x p ) (2. 33) - x p + Wp n( x = − Wp ) = n0 = Mật độ dòng điện tử: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU...CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 25 của vùng nghèo là: n( − x p ) ≈ 2 ni qV exp D NA kT (2. 31) 2 ni qV (2. 32) exp D kT ND Vậy nồng độ hạt tải điện thiểu số khuyếch tán ngay tại hai biên của vùng nghèo tuỳ thuộc vào điện áp phân cực, tức là: - Ở trạng thái cân bằng (VD = 0) , ta có: p(x n ) ≈ và: n(− x p ) = 2 ni n2 ; p(x n ) = i ND NA như đã biết ở trên - Ở trạng thái phân cực thuận (VD... thí nghiệm điện tử, chọn các cấu kiện thích hợp và nối dây cho mạch, đo các mức dòng và áp bằng các đồng hồ đo / hoặc máy hiện sóng Dĩ nhiên là các điều kiện của phòng thí nghiệm phải đáp ứng phù hợp các điều kiện của bài toán đã cho Trong thực tế, có thể có các quy trình đo chính xác các đại lượng mà BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 32 không phải... tiên, thì nguồn điện áp sẽ trở nên đơn giản là VS, và tụ sẽ là mạch hở BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 33 (tức là trở kháng của tụ là vô cùng tại tần số bằng 0) Vậy phương trình cho mạch dc có thể lập được là: (2. 52) VS = VD + VR1 = VD + I D R1 hay: VD = VS − I D R1 (2. 53) Đây là phương trình thứ nhất trong hai phương trình đồng thời có điện áp và dòng... BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 26 2 ni qV n2 exp D − i np (−x p ) − np (−Wp ) kT N A N dn = qD n = qD n A J n = qD n Wp − x p Wp − x p dx Jn = q 2 ni Dn qV × (exp D − 1) N A Wp − x p kT (2. 34) Tương tự, biểu diễn dòng lỗ trống trong vùng trung hoà ở phía bán dẫn - n như ở hình 2. 15: Mật độ dòng lỗ trống: Dp n2 qV Jp = q i × (exp D − 1) (2. 35) N D Wn − x n kT Tổng cả hai thành phần dòng điện tử và lỗ trống... là điện áp sụt trên diode; VGO là điện áp tương ứng với mức năng lượng độ rộng vùng cấm của Silicon tại 0K, (VGO = EG/ q) , và VT là áp nhiệt BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 30 Hai số hạng sau rút ra từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ của ni2 Giản lược các số hạng ở phương trình trên đối với diode Si, chẳng hạn có VD = 0,65V, EG = 1,12eV, và VT ≈ 0, 025 V... B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 31 Khi mức điện áp phân cực thuận trên diode không đổi, thì ID cũng sẽ tăng gấp đôi trong khoảng tăng nhiệt độ 10oC ở nhiệt độ từ 25 oC Khi nhiệt độ tăng, điện áp chuyển sang dẫn Vγ sẽ giảm Ngược lại, khi nhiệt độ giảm sẽ làm tăng về Vγ, như chỉ rõ ở hình 2. 19, trong đó Vγ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuân theo phương trình sau:... sản xuất Hư hỏng ở các diode thông dụng tại mức điện áp đánh thủng là do sự tăng nhanh của dòng điện tử chảy qua tiếp giáp dẫn đến quá nhiệt ở diode Mức dòng lớn có thể làm hỏng diode nếu tích tụ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 29 nhiệt vượt quá mức cho phép Đánh thủng do nhiệt đôi khi cũng được xem như điện áp đánh thủng diode (VBR) c) Dòng ngược của... từ các điều kiện biên của hạt tải điện thiểu số tại hai biên của vùng nghèo Tiếp theo là cần phải xác định dòng khuyếch tán của các hạt tải điện trong hai vùng trung hoà Do sự khuyếch tán của các điện tử trong vùng trung hoà phía bán dẫn - p, chuyển đến và tái hợp với tốc độ không đổi, mật độ dòng điện tử J n không đổi nên nồng độ điện tử n(x) là tuyến tính như được biểu diễn ở hình 2. 14 - Ở trạng thái . dẫn - p: )x( Wx- ) (- W -) x (- )x (-) ( p pp pppp ppp + + += x nn nxn (2. 33) Mật độ dòng điện tử: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 26 pp A 2 iD A 2 i n pp pppp nnn xW n kT q exp n qD xW )W()x( qDqD − − = − −−− == N V N nn dx dn J . )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +ε −φ = NN NNV VE (2. 22) Hoặc có thể viết dưới dạng: B D n0Dn 1 )( φ −= V xVx B D p0Dp 1 )( φ −= V xVx (2. 23) B D d0Dd 1 )( φ −= V xVx (2. 24) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP. xúc vào phương trình (2. 14), CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 20 cm 100 )10)(1010(1,6 )(0,748V)1 02( 1,04 3 1 /2 151619 12 − − − ×= ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +× × =