Cấu kiện điện tử - vật liệu điện tử - Dư Quang Bình - 2 pdf

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 20 1/2 ⎡ 2(1,04 × 10 −12 )(0,748V) ⎤ xp = ⎢ = ,0297 × 10 − cm (1,6 × 10 −19 )(1016 + 1015 ) ⎥ ⎣ ⎦ N xn = xp A = 0,297 × 10− cm ND Từ phương trình (2.14), có ba loại tiếp giáp pn chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau, với mật độ điện tích biểu diễn hình 2.5: - Tiếp giáp đối xứng: N A = N D ⇒ x p0 = x n0 - Tiếp giáp bất đối xứng: N A > N D ⇒ x p0 < x n0 + - Tiếp giáp bất đối xứng lớn, tức tiếp giáp p n: ⎡ 2ε φ ⎤ N A >> N D ⇒ x p0 0), đảo ngược nguồn áp gọi phân cực nghịch (VD < 0) Hình 2.7, cho thấy mạch diode tiếp giáp pn phân cực thuận Với sụt áp vùng trung hoà tiếp giáp kim loại bán dẫn không đáng kể, điện áp VD tạo điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích khơng gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc phân cực thuận, nên làm suy giảm điện trường tiếp xúc cách hiệu Điện tiếp xúc giảm xuống (hình 2.8) Tương tự trường hợp phân cực ngược hiệu tiếp xúc tăng lên Vậy chênh lệch hiệu qua tiếp giáp (còn gọi rào [potential "barrier"]) là: - Ở trạng thái cân là: φ B - Ở trạng thái phân cực thuận: φ B − VD < φ B - Ở trạng thái phân cực ngược: φ B − VD > φ B (vỗ VD < 0) Cỏc c trng tnh in ca vùng nghèo tiếp giáp pn trạng thái phân cực mơ tả hình 2.9 Khi phân cực thuận: tiếp xúc giảm, tức E giảm nên làm cho độ rộng vùng nghèo xd hẹp lại Khi phân cực ngược: tiếp xúc tăng lên, tức E tăng nên làm cho độ rộng vùng nghèo xd tăng lên BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 22 Hai vùng điện tích vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh hiệu đặt tiếp giáp Vì vậy, đặc trưng tĩnh điện vùng nghèo phân cực tương tự đặc trưng tĩnh điện vùng nghèo trạng thái cân thay φ B φ B − VD Suy ra: ⎡ 2ε (φ − V ) N ⎤ x n (VD ) = ⎢ s B D A ⎥ ⎣ q( N A + N D) N D ⎦ 1/2 ⎡ 2ε (φ − V ) N ⎤ x p (VD ) = ⎢ s B D D ⎥ ⎣ q( N A + N D) N A ⎦ ⎡ 2ε (φ − V )( N A + N D ) ⎤ xd (VD ) = ⎢ s B D ⎥ qN A N D ⎣ ⎦ ⎡ 2q(φ B − VD ) N A N D ⎤ E (VD ) = ⎢ ⎥ ⎣ ε s ( N A + N D) ⎦ 1/2 (2.20) 1/2 (2.21) 1/2 (2.22) Hoặc viết dạng: V x n (VD ) = x n0 − D φB V x p (VD ) = x p0 − D φB V xd (VD ) = xd0 − D φB BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT (2.23) (2.24) CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 23 V E (VD ) = E0 − D φB (2.25) đó: x n0 ; x p0 ; xd0 ;& E0 đại lượng tương ứng trạng thái cân Ở tiếp giáp pn bất đối xứng lớn, nghĩa pha tạp với nồng độ hai phía tiếp giáp lớn, ví dụ NA >> ND, xấp xỉ biểu thức độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn n, xn; độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn p tức xp, độ rộng vùng nghèo tổng xd, điện trường E, tiếp xúc φ B , ta thấy tất thay đổi xảy phía pha tạp thấp (hình 2.10) 2.3 PHƯƠNG TRÌNH DIODE VÀ ĐẶC TUYẾN I - V CỦA DIODE Như xét trên, việc áp đặt điện áp phân cực cho tiếp giáp pn làm cho vùng nghèo rộng hay co hẹp lại, cho dòng điện chỉnh lưu, ngồi có lưu trữ điện tích hạt tải điện Đối với nồng độ hạt tải, trạng thái cân nhiệt, có cân động dịng trơi dịng khuyếch tán điện tử lỗ trống: J träi = J kh.taïn Nếu xét nồng độ hạt tải điện tiếp giáp pn phân cực ta thấy rằng: phân cực thuận (VD > 0) , rào tiếp giáp giảm, (φ B − VD ) ↓ , nên làm cho điện trường qua vùng nghèo giảm, ESCR ↓ , dịng trơi giảm xuống, J träi ↓ Sự cân hai thành phần dòng qua vùng nghèo bị phá vỡ, tức là: J träi < J kh.tạn , mơ tả hình 2.11 Dịng khuyếch tán thực chảy qua vùng nghèo làm cho hạt tải điện "thiểu số" phóng thích vào hai vùng trung hồ, nên có vượt trội nồng độ hạt tải điện thiểu số hai vùng trung hoà Vậy lượng lớn hạt tải điện đa số khuyếch tán vào hai vùng trung hồ tạo dịng điện lớn chảy qua tiếp giáp Mặt khác, phân cực ngược (VD < 0) , rào tiếp giáp tăng, (φ B − VD ) ↑ , nên làm cho điện trường qua vùng nghèo tăng, ESCR ↑ , dịng trơi tăng lên, J träi ↑ Sự cân hai thành phần dòng qua vùng nghèo bị phá vỡ, tức là: J träi > J kh.tạn hình 2.12 Dịng trơi thực chảy qua vùng nghèo làm cho hạt tải điện thiểu số bị rút khỏi hai vùng trung hoà, nên có sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số hai vùng trung hồ Có hạt tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà cho dịng điện nhỏ Do đó, phân cực thuận cho diode tiếp giáp pn hạt tải điện thiểu số phóng thích khuyếch tán qua vùng trung hoà, tạo tái hợp bề mặt bán dẫn Khi phân cực ngược, BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 24 hạt tải điện thiểu số rút khỏi vùng nghèo, tạo tái sinh bề mặt khuyếch tán qua vùng trung hồ.Vậy phân cực thuận có dịng điên lớn khuyếch tán hạt tải điện đa số; cịn phân cực ngược có dịng trơi nhỏ hạt tải điện thiểu số thể hình 2.13 Để có độ lớn dịng điện chảy qua diode, cần phải tính nồng độ hạt tải điện thiểu số hai biên vùng nghèo p(xn) n(- xp), tính dịng khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vùng trung hồ In Ip, sau tính tổng dòng khuyếch tán điện tử lỗ trống, I = In + Ip Từ quan hệ hiệu nồng độ hạt tải điện điểm theo phương x, ta có tỷ số nồng độ điện tử lỗ trống hai biên vùng nghèo trạng thái phân cực, tức trạng thái tương ứng với J träi ≠ J kh taïn : q[φ(x n ) - φ(− x p )] q(φ B − VD ) n(x n ) = exp ≈ exp kT kT n( − x p ) tỷ số nồng độ lỗ trống hai biên vùng nghèo phân cực cho tiếp giáp: − q[φ(x n ) - φ(− x p )] p(x n ) − q(φ B − VD ) = exp ≈ exp p( − x p ) kT kT Nhưng nồng độ điện tử lỗ trống hai biên xấp xỉ nồng độ pha tạp, gọi xấp xỉ phóng thích mức thấp: n(x n ) ≈ N D p(−x p ) ≈ N A , nên ta có: q(VD − φ B ) kT q(VD − φ B ) p(x n ) ≈ N A exp kT n(−x p ) ≈ N D exp và: (2.29) (2.30) Với giá trị tiếp xúc là: φB = kT N D N A ln q ni thay vào phương trình n(-x p ) p(x n ) , nhận nồng độ hạt tải điện thiểu số hai biên BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 25 vùng nghèo là: n( − x p ) ≈ ni qV exp D NA kT (2.31) ni qV (2.32) exp D kT ND Vậy nồng độ hạt tải điện thiểu số khuyếch tán hai biên vùng nghèo tuỳ thuộc vào điện áp phân cực, tức là: - Ở trạng thái cân (VD = 0) , ta có: p(x n ) ≈ và: n(− x p ) = ni n2 ; p(x n ) = i ND NA biết - Ở trạng thái phân cực thuận (VD > 0) ; giá trị nhỏ (VD = 0,1V) , nhiệt độ phòng: n2 n2 n(− x p ) >> i ; p(x n ) >> i NA ND Có số lượng lớn hạt tải điện phóng thích: Vậy điện áp phân cực tăng lên cho nồng độ hạt tải điện phóng thích lớn, nên dòng thuận lớn ni n2 ; p(x n )