Nối p n và diode (p n junction và diot)

Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Bởi: Trương Văn Tám CẤU TẠO CỦA NỐI P-N: Hình sau mô tả nối P-N phẳng chế tạo kỹ thuật Epitaxi Trước tiên, người ta dùng thân Si-n+ (nghĩa pha nhiều nguyên tử cho) Trên thân này, người ta phủ lớp cách điện SiO2 lớp verni nhạy sáng Xong người ta đặt lên lớp verni mặt nạ có lỗ trống dùng xạ để chiếu lên mặt nạ, vùng verni bị chiếu rửa loại axid chừa phần Si-n+, phần lạivẫn phủ verni Xuyên qua phần không phủ verni, người ta cho khuếch tán nguyên tử nhận vào thân Si-n+ để biến vùng thân thành Si-p Sau cùng, người ta phủ kim loại lên vùng p n+ hàn dây nối Ta nối P-N có mặt nối vùng p n+ thẳng 1/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Khi nối PN thành lập, lỗ trống vùng P khuếch tán sang vùng N ngược lại, điện tử vùng N khuếch tán sang vùng P Trong di chuyển, điện tử lỗ trống tái hợp với Do đó, có xuất vùng hai bên mối nối có ion âm nguyên tử nhận vùng P ion dương nguyên tử cho vùng N ion dương âm tạo điện trường Ej chống lại khuếch tán hạt điện, nghĩa điện trường Ei tạo dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu Lúc đó, ta có trạng thái cân nhiệt Trên phương diện thống kê, ta coi vùng có ion cố định vùng hạt điện di chuyển (không có điện tử tự vùng N lỗ trống vùng P) Ta gọi vùng vùng khiếm khuyết hay vùng (Depletion region) Tương ứng với điện trường Ei, ta có điện V0 hai bên mặt nối, V0 gọi rào điện Tính V0: ta để ý đến dòng điện khuếch tán lỗ trống: dp Jpkt = − e.Dp dx > dòng điện trôi lỗ trống: Jptr = e.p.μp.Ei < Khi cân bằng, ta có: 2/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Jpkt+Jptr = Hay là: e.Dp dp dx = e.p.μp.Ei ⇒ Mà Dp dp μp p Dp μp = Ei.dx = VT = Và Ei = KT e −dV dx Do đó: dV = − VT dpp Lấy tích phân vế từ x1 đến x2 để ý x1 điện chọn 0volt, mật độ lỗ trống mật độ Ppo vùng P lúc cân Tại x2, điện V0 mật độ lỗ trống Pno vùng N lúc cân V0 ∫ −dV = VT∫ Mà: Pno ≈ Pn dp o P p n2 i ND Po PPoNA Nên: V0 = VTlog  Hoặc: V0 = KT e log PP o Pn o   N DN A n2  i Tương tự trên, ta tìm V0 từ dòng điện khuếch tán điện tử dòng điện trôi điện tử dn e.Dn dx + e.n.μn.Ei = Thông thường V0 ≈ 0,7voltnếu nối P-N Si V0 ≈ 0,3 volt nối P-N Ge Với hợp chất Gallium GaAs (Gallium Arsenide), GaP (Gallium Phospho), GaAsP (Gallium Arsenide Phospho), V0 thay đổi từ 1,2 volt đến 1,8 volt Thường người ta lấy trị trung bình 1,6 volt 3/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) DÒNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: Ta phân cực nối P-N theo hai cách: - Tác dụng hiệu điện hai cực nối cho điện vùng P lớn vùng N trị số V Trường hợp ta nói nối P-N phân cực thuận (Forward Bias) - Nếu điện vùng N lớn điện vùng P, ta nói nối P-N phân cưc nghịch (Reverse Bias) Nối P-N phân cực thuận: Khi chưa phân cực, ngang mối nối ta có rào điện V0 Khi phân cực thuận hiệu điện V rào điện giảm lượng V trở thành VB = V0-V, nối P-N thăng Lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N tạo dòng điện Ip Điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P tạo dòng điện In Dòng điện I qua nối P-N : I = Ip + In 4/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Dòng điện I không phụ thuộc vào thời gian vị trí tiết diện A ta có trạng thái thường xuyên dòng điện In Ip phụ thuộc vào vị trí tiết diện Trong vùng P xa vùng hiếm, lỗ trống trôi tác dụng điện trường tạo nên dòng Jpp Khi lỗ trống đến gần vùng hiếm, số bị tái hợp với điện tử từ vùng N khuếch tán sang Vì vùng mỏng điện tử nên vùng lỗ trống khuếch tán thẳng ngang qua mà không bị tiếp tục khuếch tán sang vùng N bị lần có tái hợp với điện tử vùng Tương tự, khuếch tán điện tử từ vùng N sang vùng P tuân theo qui chế Ta để ý đồ thị nhận trục đối xứng tổng số dòng điện lỗ trống dòng điện tử phải số Ta có:Jpp (x1) = Jpn(x2) Jnp (x1) = Jnn(x2) Dòng điện J tiết diện số Vậy x1 x2 ta có: J = Jpp(x1) + Jnp (x1) = Jpn(x2) + Jnn(x2) Dòng điện Jpn dòng khuếch tán lỗ trống, nên có trị số tiết diện x là: Jpn(x) = − e.Dp dPn(x) dx Trong đó, Pn(x) mật độ lỗ trống vùng N điểm x Ta tính Pn(x) Ta dùng phương trình liên tục: ∂ Pn ∂t = − Pn − Pn τp − ∂ Ip ∂x e.A Vì dòng điện Jpn không phụ thuộc vào thời gian nên phương trình trở thành: d2Pn dx2 = Pn − Pn L2 p Trong Lp = √Dp.τp [ ] Và có nghiệm số là: Pn(x) − Pn0 = Pn(x2) − Pn0 e Suy ra, Jpn(x2) = − e.Dp dPn dx ∣x = x2 = e.Dp Lp − x − x2 Lp [P (x ) − P ] n n0 5/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Ta chấp nhận có dòng điện qua mối nối, ta có biểu thức: dv = − VT dpp trường hợp nối cân Lấy tích phân hai vế từ x1 đến x2 ta được: pn(x2) VB ∫ dv = − VT ∫ pp(x ) ≈ pp dp p Ta được: Pp Mà: VB = V0 − V = VTlog  Suy ra: V = VTlog  Nên: Pn(x2) = Pn(x2) Pn Pn  −V  V VT Pn0.e [ ] Do đó: Jpn(x2) = e.Dp L1p P(x2) − Pn0 Jpn(x2) = [ Dp e L Pn0 p ] V VT e −1 Tương tự, ta có: [ Dn ] [ ] V Jnp(x1) = e.Dn L np(x1) − np0 Jnp(x1) = e L np0 e VT − n n Suy ra, mật độ dòng điện J mối nối P-N là: J = Jpn(x2) + Jnp(x1) J=e [ DP LP pno + ].[ V VT e Dn Ln npo ] −1 Như vậy, dòng điện qua mối nối P-N là: I = A.e [ DP LP pno + ].[ Dn Ln npo V VT e ] −1 6/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) [ Đặt: I0 = A.e Ta được: I = DP LP pno [ V VT I0 e + ] Dn Ln npo ] −1 Phương trình gọi phương trình Schockley Trong đó: VT = kT e = Dp μp = Dn μn Với k = 1,381.10 −23 J /0 Klà số Boltzman e = − 1,602.10 −19 coulomb, điện tích electron T nhiệt độ tuyệt đối Ở nhiệt độ bình thường, T=2730K, VT=0,026 volt Khi mối nối chuyển vận bình thường, V thay đổi từ 0,3 V đến 0,7 V tùy theo mối Ge hay Si, Vậy, I ≈ V VT > 10 ⇒ V VT e >>1 V VT I0.e Ghi chú: Công thức trường hợp dòng điện qua mối nối lớn (vùng đặc tuyến V-I thẳng, xem phần sau); với dòng điện I tương đối nhỏ (vài mA trở xuống), người ta chứng minh dòng điện qua mối nối là: [ ] V I = I0 e ηVT − Với ? = mối nối Ge ? = mối nối Si 7/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Nối P-N phân cực nghịch: Khi nối P-N phân cực nghịch, rào điện tăng lượng V Lỗ trống điện tử khuếch tán ngang qua mối nối Tuy nhiên, tác dụng nhiệt, số điện tử lỗ trống sinh vùng tạo dòng điện có chiều từ vùng N sang vùng P Vì điện tử lỗ trống sinh nên dòng điện ngược nhỏ, thường chừng vài chục ?A hay nhỏ Để ý dòng điện ngược hàm số nhiệt độ Người ta chứng minh trường hợp nối P-N phân cực nghịch với hiệu điện V[...]... tĩnh: (Static resistance) N i trở tĩnh là đi n trở n i của n i P- N trong mạch đi n một chiều Người ta định nghĩa đi n trở một chiều ở một điểm ph n cực là tỉ số V/I ở điểm đó 11/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) N i trở của n i tại điểm Q là: RD = V I Khi n i P- N ph n cực thu n càng mạnh, dòng đi n I càng l n trong lúc đi n thế V g n như không đổi n n nội trở càng nhỏ N i trở động của n i P- N: ... h n diode Si và đi n thế s p đổ cũng nhỏ h n diode Si 25/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) Do thời gian hồi phục rất nhỏ ( đổi trạng thái nhanh) n n diode schottky được dùng rất phổ bi n trong kỹ thuật số và điều khi n Diode n p (diode Zener): Như đã khảo sát ở ph n trước, khi đi n thế ph n cực nghịch của diode l n, những hạt tải đi n sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị đi n trường mạnh trong... lệ với dòng đi n qua n i P- N theo công thức: CD = τI ηVT Trong đó, τ = P = L2 P DP , là đời sống trung bình của lỗ trống; ? = 2 đối với n i P- N là Si, ?=1 đối với n i P- N là Ge Thông thường, CD có trị số từ 2000pF đ n 15000pF 15/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG Diode cơ b n là một n i P- N Thế nhưng, tùy theo mật độ chất t p pha vào chất b n d n thu n ban đầu, tùy... ta cũng định nghĩa đi n trở động khi ph n cực nghịch rr = dV dI ∣Q Vì độ dốc của ti p tuy n tại Q khi n i P- N ph n cực nghịch rất nhỏ n n đi n trở động rr rất l n, hàng M? ĐI N DUNG CỦA N I P- N Đi n dung chuy n ti p (Đi n dung n i) Khi n i P- N được ph n cực nghịch, vùng hiếm được n i rộng do có sự gia tăng đi n tích trong vùng n y Với một sự bi n thi n ?V của hiệu đi n thế ph n cực nghịch, đi n tích... hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đ n thời gian chuy n ti p từ b n kỳ dương sang b n kỳ âm của t n hiệu 22/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) Khi t n số của t n hiệu cao, đi n thế ngõ ra ngoài b n kỳ dương (khi diode được ph n cực thu n) , ở b n kỳ âm của t n hiệu cũng qua được một ph n và có dạng như hình vẽ Chú ý là t n số của ngu n t n hiệu càng cao thì thành ph n b n kỳ âm xuất hi n ở ngõ... hằng số và được gọi là đi n thế ngưỡng VK (khoảng 0,3V đối với diode Ge và 0,7 volt đối với diode Si) Như vậy, khi ph n cực thu n, diode tương đương với một diode lý tưởng n i ti p với ngu n đi n thế VK, khi ph n cực nghịch cũng tương đương với một ngắt đi n hở 17/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) Kiểu mẫu diode với đi n trở động: Khi đi n thế ph n cực thu n vượt quá đi n thế ngưỡng VK, dòng... VR V0  n Trong các n i P- N thông thường, CT có trị số từ 5pF đ n 100pF Đi n dung khuếch t n (Difusion capacitance) Khi n i P- N được ph n cực thu n, lỗ trống được khuếch t n từ vùng P sang vùng N và đi n tử khuếch t n từ vùng N sang vùng P Sự ph n bố các hạt tải đi n thiểu số ở hai b n vùng hiếm tạo n n một đi n dung gọi là đi n dung khuếch t n CD Người ta chứng minh được đi n dung khuếch t n CDtỉ lệ... Đi n trở động của n i P- N khi ph n cực thu n (rất nhỏ) CD: Đi n dung khuếch t n rr: Đi n trở động khi ph n cực nghịch (rất l n) 23/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) CT: Đi n dung chuy n ti p Để thấy rõ h n thời gian hồi phục, ta xem đ p ứng của diode đối với hàm n c (dạng sóng chữ nhật) được mô tả bằng hình vẽ sau Thông thường, giá trị của tr có thể thay đổi từ nhỏ h n 1 nano giây đ n x p xĩ... trở của n không đáng kể Khi ph n cực nghịch, dòng rỉ cũng xem như không đáng kể Như vậy, diode lý tưởng được xem như một ngắt (switch): ngắt đi n đóng mạch khi diode được ph n cực thu n và ngắt đi n hở mạch khi diode được ph n cực nghịch 16/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) Kiểu mẫu đi n thế ngưỡng (Knee-Voltage model) Trong kiểu mẫu n y, đi n thế ngang qua diode khi được ph n cực thu n là một... trị số: CT = K  V0 + VR  n Trong đó, K là hằng số tùy thuộc vào chất b n d n và kỹ thuật chế tạo V0 là rào đi n thế của n i P- N (Si là 0,7V và Ge là 0,3V) VR là đi n thế ph n cực nghịch n = 13 trong 14/32 N i P- N và Diode (P- N junction và Diot) trường h p n i P- N là dốc lài (linearly graded juntion) và n = 12 trong trường h p n i P- N thuộc loại dốc đứng (brupt juntion) N u gọi Cj(0) là trị số của ... 18/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Thí dụ: Từ đặc tuyến V-I diode 1N917(Si), xác định điện trở động r0 tìm điểm điều hành Q(ID VD) dùng mạch hình bên 19/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot). .. (vài mA trở xuống), người ta chứng minh dòng điện qua mối nối là: [ ] V I = I0 e ηVT − Với ? = mối nối Ge ? = mối nối Si 7/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Nối P-N phân cực nghịch: Khi nối. .. diode biến dung 29/32 Nối P-N Diode (P-N junction Diot) Diode hầm (Tunnel diode) Được chế tạo lần vào năm 1958 Leo-Esaki nên gọi diode Esaki Đây loại diode đặc biệt dùng khác với nhiều loại diode