DCBD ch04 chuyen tiep PN p1

1. Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm 2. Điều kiện cân bằng nhiệt 3. Miền nghèo 4. Điện dung miền nghèo 5. Đặc tuyến dòngáp 6. Các mô hình của diode bán dẫn 7. Điện tích chứa và quá trình quá độ 8. Đánh thủng chuyển tiếp 9. Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction) 10. Các loại diode bán dẫn 11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn

9/29/2010 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 dòng-áp Các mơ hình diode bán dẫn Điện tích chứa 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 9/29/2010 4.1 Chuyển tiếp PN – Giới thiệu khái niệm tổng quát Các chuyển tiếp PN bước biến đổi • Chuyển tiếp PN dụng cụ hai cực • Dựa vào đồ thị pha tạp chất , người ta chia chuyển tiếp PN thành nhóm chính: - chuyển tiếp bước - chuyển tiếp biến đổi tuyến tính ND  NA ND  N A ax bên p bên n Chuyển tiếp bước (Step or abrupt junction) bên p bên n Chuyển tiếp biến đổi tuyến tính (Linearly-graded junction) 9/29/2010 Nhận biết phân cực tiếp xúc PN • Dựa VP – VN: (VP đầu Anode VN đầu Cathode) » < : phân cực ngược (REVERSE BIAS ) » = : khơng có phân cực hay cân » > : phân cực thuận (FORWARD BIAS) Sự tạo thành chuyển tiếp PN (1/2) Evac = mức lượng chân không 9/29/2010 Sự tạo thành chuyển tiếp PN (2/2) 4.2 Điều kiện cân nhiệt 9/29/2010 Điều kiện cân nhiệt (1) • Đặc tính quan trọng chuyển tiếp p-n chỉnh lưu dòng điện, nghĩa chúng cho phép dòng dễ dàng chạy theo chiều Hình sau cho thấy đặc tuyến dòng-áp chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu • Khi ta đưa "phân cực thuận" vào chuyển tiếp (điện áp dương vào phía P), dòng điện tăng nhanh theo điện áp tăng Tuy nhiên đưa vào "phân cực ngược", khơng có dòng điện chạy qua • Khi phân cực ngược tăng, dòng điện giữ khơng đổi trị nhỏ đạt đến điện áp tới hạn mà dòng tăng đột ngột Sự tăng đột ngột dòng điện gọi đánh thủng chuyển tiếp (junction breakdown) Điện áp thuận đưa vào thường < 1V, điện áp tới hạn ngược, hay điện áp đánh thủng, thay đổi từ vài volts đến hàng ngàn volts phụ thuộc vào nồng độ pha tạp chất tham số dụng cụ khác Điều kiện cân nhiệt (2) Đặc tuyến dòng-áp chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu 10 9/29/2010 Giả thiết phân tích Chuyển tiếp PN loại bước Dùng mơ hình điện tích khơng gian bước 11 Mơ hình điện tích khơng gian bước (Miền khối) (Miền khối) P N 12 9/29/2010 Giản đồ dải lượng (Band diagram) • Để lại • Mức Fermi – Gần dải dẫn ( loại N) – Gần dải hóa trị (loại P) • Gắn lại với – Điện tử khuếch tán  – Lỗ khuếch tán  – Ion donor dương (ND+), bên phải – Ion acceptor âm (NA-), trái • Tạo nên điện trường  • Tạo nên điện • Miền điện tích khơng gian 13 Mức Fermi cân (Equilibrium Fermi level) Ở cân nhiệt, dòng điện tử lỗ chạy qua chuyển tiếp đồng zero Thì Tương tự, mật độ dòng điện tử: với Như vậy, với điều kiện dòng điện tử lỗ không, mức Fermi phải số 14 9/29/2010 (A) Chuyển tiếp bước cân nhiệt: EC (a) Điện áp nội (Built-in voltage) Vbi: (còn gọi nội B) qVbi Ei EF EV bên p (x) bên n W + qND -qNA - x V (x) qVbi   Ei  E F  p  E F  Ei n nn  ni exp EF  Ei  k BT  p p  ni expEi  E F k BT  N N  k T  p p nn  Vbi  B ln  VT ln A D   n   n  q     i i Vbi E (x)  xp Emax x (b) Quan hệ hạt dẫn đa số - thiểu số: xn x pn  p p exp Vbi / VT  n p  nn exp Vbi / VT  15 (c) Bề rộng miền nghèo (Depletion region width):  Giải phương trình Poisson bậc dùng xấp xỉ miền nghèo, với điều kiện biên sau: V ( x p )  0, V ( xn )  Vbi , E (  xp )  E ( xn )  bên p: qN A V p ( x)  x  xp   2 S bên n: qN Vn ( x)   D  xn  x   Vbi 2 S  Sử dụng liên tục nghiệm x=0, trung hòa điện tích, để có biểu thức cho miền nghèo W: xn  x p  W  2 S ( N A  N D )Vbi V p (0)  Vn (0)   W  qN A N D N A x p  N D xn   S = số điện môi bán dẫn 16 9/29/2010 (d) Điện trường cực đại: Điện trường cực đại, xảy chuyển tiếp luyện kim, cho bởi: Emax   dV dx  x 0 qN A N DW  S (N A  ND ) (e) Sự thay đổi nồng độ hạt dẫn: 15 N A  N D  1015 cm3 Wcalc  1.23 m Emax( DC )  9.36 kV / cm -3 Concentration [cm ] 10 13 10 11 10 -3 n [cm ] -3 p [cm ] 10 Emax( sim )  8.93 kV / cm 10 10 0.5 1.5 2.5 3.5 Distance [m] 17 5x10 15 Electric field [kV/cm] -3 (x)/q [cm ] 10 14 -5x10 14 -10 15 0.5 1.5 2.5 Distance [m] 3.5 -2 -4 -6 -8 -10 0.5 1.5 2.5 3.5 Distance [m] 18 10 17 5x10 16 10 Electric field [kV/cm] (x)/q [cm-3] 9/29/2010 -5x10 16 -10 17 0.6 0.8 1.2 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 1.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Distance [m] Distance [m] 19 (B) Equilibrium analysis of linearly-graded junction: 1/ (a) Depletion layer width: 12k  V  V  W   s bi  qa   (c) Maximum electric field: Emax   qaW 8k s  1/ (d) Depletion layer capacitance:  qak s202  C  12Vbi  V  Based on accurate numerical simulations, the depletion layer capacitance can be more accurately calculated if Vbi is replaced by the gradient voltage Vg:  a 2k s  0VT  Vg  VT ln    8qni  20 10 9/29/2010 Ảnh hưởng điện trở nối tiếp 59 Đặc tuyến semilog dòng điện diode phân cực thuận 60 30 9/29/2010 4.6 Các mơ hình diode bán dẫn 61 Các mơ hình diode (chưa xét đến đánh thủng ngược) Mơ hình diode lý tưởng Mơ hình sụt áp Mơ hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 1) (xấp xỉ bậc 2) (xấp xỉ bậc 3) • VON=0.7V với Si • rD điện trở thuận = dV/dI điểm Q (có VDQ >VON) = VT/IDQ 62 31 9/29/2010 Các cấp điện trở • Bán dẫn hoạt động khác với dòng điện DC AC • Có loại điện trở – Điện trở tĩnh hay DC : RD = VD/ID – Điện trở động hay AC: rd = ∆VD/ ∆ID – Điện trở AC trung bình: rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm) Điện trở AC trung bình Điện trở động rd Điện trở tĩnh RD 63  Mơ hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model): The diode characteristics: Đặc tuyếnI-V dòng-áp (I-V): ID  Ise V D /nVT giả sử VD  VT   assume For an instantaneous Với điện áp tức thờivoltage v D (t): v D (t)  VD  vd (t) thenta wecóhave theđiện instantaneous current Thì dòng áp tức thời i D (t): i D (t)  ID e vd (t)/nVT nghỉa sử tín hiệuassumption nhỏ is,làa giả small signal Nếuif v d (t)/nVT  1, that i D (t)  ID e vd (t)/nVT  I D (1  v d (t) I   )  ID  D v d (t) nVT nVT Nếu i D (t)  I D  i d (t)  DC  AC; Since We can thephần ACi-v i-vAC components: Ta có cáchave thành i d (t)  ID v d (t) nVT So, we can thehiệu small-signal resistance (or the incremental resistance) Vì vậy, ta cóalso điệnhave trở tín nhỏ rd  v d (t) nVT  i d (t) ID Ω 64 32 9/29/2010 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 65 66 33 9/29/2010 67 68 34 9/29/2010  Ideal-diode Model: i  0, for v   OFF i  any positive value  0, for v   ON P N 69  Example of the Branch Current Calculation : (based on the ideal-diode model) 70 35 9/29/2010 i  Constant Voltage Drop Model: i  0, for v  0.7  OFF i  any positive value  0, for v  0.7  ON 0.7V v 9.3mA 0.7V 71  Piecewise Linear Model: i  0, for v  VD,0 i V  V  , D,0 rD  OFF for v  VD,0  ON 9.1mA VD,0 72 36 9/29/2010  Terminal Characteristics of a Real Diode: •Real I-V in normal scale 73 * The forward - bias diode current : i  I s (e v/n v t  1)  I s e v/n v t where I s is the saturation current or the scale current; v t is the thermal voltage (  25mV); n is the ideal factor For two diode currents I1 and I , we can have I V2  V1  nV t ln   I1  I    2.3n Vt log 10     I1  74 37 9/29/2010  Temperature Effect on the diode current: •At a given constant current the voltage drop across the diode decreases by approximately 2mV for every 1C increase in temperature •See the practice before! 75 Ex Using the fact that a silicon diode has Is=10-14 A at 25 C and that Is increases by 15% per C rise in temperature, find the value of Is at 125 C Sol : Is  1014 A @ 25 C Is  ? @ 125 C A (T 25 ) Is (T)  (1  15%) 1  Is (25 )  Is (125 )  (1.15)100 1014  1.174 108 (A) 76 38 9/29/2010  A Real I-V model, Graphical Analysis, and Iterative Analysis: Diode I-V i VDD/R For the set of (VD , I D ), the load line is ID  VDD  VD  R VDD v 77 •Graphical Analysis:  read out the intersection point directly! 78 39 9/29/2010 •Iterative Analysis: Device I-V + Load Line  Current Conservation V Diode I - V : ID  Is exp D  nVt VDD  VD Load I - V : I D  R    (Ex.3.4) practice Original guess 79  Small Signal Model: The diode I - V characteristics : I D  Is e VD/nVt assume VD  Vt  For an instantaneous voltage v D (t) : v D (t)  VD  v d (t) then we have the instantaneous current i D (t) : i D (t)  I De v d (t)/nVt if v d (t)/nVt  1, that is, a small signal assumption i D (t)  I De v d (t)/nVt  I D (1  v d (t) I  )  I D  D vd (t) nVt nVt Since i D (t)  I D  i d (t)  DC  AC; We can have the AC i - v components : I i d (t)  D v d (t) nVt So, we can also have the small - signal resistance (or the incremental resistance) v (t) nV rd  d  t Ω  i d (t) ID 80 40 9/29/2010 Resistance levels • DC or Static resistance • AC or Dynamic resistance • Average AC resistance 81 DC or Static resistance 82 41 9/29/2010 AC or Dynamic resistance Forward bias region: • The resistance depends on the amount of current(ID) in the diode • The voltage across the diode is fairly constant(26 mA for 25 C) • rB ranges from a typical 0.1 Ohms for high power device to Ohms for low power, general purpose diodes Reverse bias region: • The resistance is infinite The diode acts like an open 83 AC or Dynamic resistance(cont’d) 84 42 9/29/2010 Average AC resistance 85 86 43 9/29/2010 Diode specification sheets 87 44 ... 4.1 Chuyển tiếp PN – Giới thiệu khái niệm tổng quát Các chuyển tiếp PN bước biến đổi • Chuyển tiếp PN dụng cụ hai cực • Dựa vào đồ thị pha tạp chất , người ta chia chuyển tiếp PN thành nhóm chính:... trung hòa: V / VT pn ( x )  pn ( e V / VT n p ( x )  n p ( e  1)e  ( x  xn ) / L p  1)e n p ( x) ( x  x p ) / Ln pn ( x ) Phân cực thuận Miền điện tích khơng gian W pn n p0  xp xn x... thuận điều kiện bơm mức thấp : Tính tựa trung hòa cần: nn (x )  Điều dẫn đến: pn (x ) xn nn ( x )  pn ( x ) nn pn x J ndiff ( x )   Dn diff J ( x) Dp p • Dòng lỗ tổng cộng miền tựa trung