Bài giảng "Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (Phần 2)" cung cấp cho người học các kiến thức: Điện tích chứa và quá trình quá độ, đánh thủng chuyển tiếp, chuyển tiếp dị thể (Heterojunction), các loại diode bán dẫn, giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
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 4.7 Điện tích chứa q trình độ • Ở phân cực thuận, điện tử bơm từ miền N vào miền P lỗ bơm vào từ miền P vào miền N Khi qua chuyển tiếp, hạt dẫn thiểu số tái hợp với hạt dẫn đa số suy giảm theo hàm mũ với khồng cách • Những đóng góp hạt dẫn thiểu số dẫn đến có dòng điện tích trữ điện tích chuyển tiếp P-N • Ta xét điện tích tích trữ này, hiệu ứng lên điện dung tiếp xúc, ứng xử độ chuyển tiếp P-N thay đổi đột ngột phân cực 9/29/2010 4.7.1 Tích trữ hạt dẫn thiểu số (Minority-Carrier Storage) • Điện tích hạt dẫn thiểu số bơm vào đơn vị diện tích chứa miền N trung hòa tìm cách lấy tích phân lỗ thừa miền trung hòa (phần hình vẽ có tơ đen), dùng phương trình 51: Chú thích: • Ta có biểu thức tương tự cho điện tử tích trữ miền P trung hòa Số hạt dẫn thiểu số tích trữ phụ thuộc vào chiều dài khuếch tán L mật độ điện tích cạnh (biên) miền nghèo Ta biểu diễn điện tích chứa theo dòng bơm vào Từ phương trình 52 75, ta có (76) • Phương trình phát biểu lượng điện tích chứa tích số dòng điện thời gian sống hạt dẫn thiểu số Có điều lỗ (được bơm vào) lại khuếch tán vào miền N trước tái hợp thời gian sống chúng dài hơn, có nhiều lỗ tích trữ 9/29/2010 4.7.2 Điện dung khuếch tán • Điện dung miền nghèo xét trước dùng cho điện dung chuyển tiếp phân cực ngược • Khi chuyển tiếp phân cực thuận, có thêm đóng góp đáng kể vào điện dung chuyển tiếp từ xếp lại điện tích chứa miền trung hòa Đó điện dung khuếch tán Cd, có từ diode thật hạt dẫn thiểu số di chuyển qua miền trung hòa khuếch tán • Điện dung khuếch tán lỗ tích trữ miền N trung hòa có cách áp dụng định nghĩa Cd = AdQp/dV vào phương trình 75 = Ip/VT = Gp (77) với A diện tích mặt cắt ngang dụng cụ, p thời gian sống hạt dẫn thiểu số, G điện dẫn chuyển tiếp Ta thêm đóng góp Cd điện tử chứa trường hợp đáng kể đến • Với chuyển tiếp p+-n (np0 ap (impact ionization dominated by one carrier): W n dx Mn e W n dx 49 Breakdown voltages: (a) Step p+n-junction • For one sided junction we can make the following approximation: W Wn W p Wn p n Wp • Voltage drop across the depletion region on the n-side: 1 Vn FmaxWn V BD Fmax W 2 Wn • Maximum electric field: k qN DW Fmax V BD s Fmax k s 0 qN D • Empirical expression for the breakdown voltage VBD: F ( x) Fmax x VBD Eg 60 1 3/ N D kV 16 10 cm 50 25 9/29/2010 (b) Step p+-n-n+ junction • Extension of the n-layer large: p n n V BD Fmax Wm • Extension of the n-layer small: 1 VP Fmax Wm F1 Wm W1 2 W1 Wm Wp F ( x) • Final expression for the punchthrough voltage VP: Fmax F1 VP VBD x W1 W Wm Wm 51 4.9 Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction) 52 26 9/29/2010 Chuyển tiếp dị thể • Cho đến bây giờ, bàn hoạt động chuyển tiếp đồng thể(homo junctions) Một chuyển tiếp PN chuyển tiếp đồng thể có khe lượng cho bán dẫn N P Với chuyển tiếp dị thể khác Khi bán dẫn có khe lượng khác tạo thành chuyển tiếp Chuyển tiếp dị thể xảy vùng khác do: – Các nguyên nhân công nghệ – Đặc tính điện: • Điện trường miền điện tích khơng gian tăng lên • Pin mặt trời (Solar cell): điện áp hở mạch cao rút hạt dẫn tốt • Transistor có độ linh động cao: Transistor nhanh – Đặc tính quang: • Các lớp với khe lượng cao dùng làm "cửa sổ quang" • Chuyển tiếp dị thể chuyển tiếp có từ bán dẫn khơng giống Chúng có khe lượng Eg khác Hơn nữa, bán dẫn khác có số điện mội εs khác nhau, cơng thoát qΦs khác53 độ lực điện tử q khác • Cơng qΦs định nghĩa lượng để lấy điện tử khỏi mức lượng Fermi EF đến vị trí bên ngồi vật liệu (mức chân khơng) • Độ lực điện tử q lượng cần để lấy điện tử khỏi đáy dải dẫn đến mức chân không Với Eg hiệu số dải lượng Eg = Eg1 – Eg2 Hình 32a Giản đồ lượng bán dẫn cách ly 54 27 9/29/2010 • Nếu bán dẫn nối lại, giản đồ lượng sau hình thành Chúng ta giả sử số mạng tinh thể vật liệu khớp Ngược lại số bẫy giao tiếp khơng thể bỏ qua Hình 32b Giản đồ lượng chuyển tiếp dị thể PN lý tưởng cân nhiệt 55 • Có u cầu xây dựng giản đồ lượng: a) mức Fermi phải giống hai bên giao tiếp cân nhiệt b) mức chân liên tục song song với cạnh dải lượng • Sự bất liên tục không bị ảnh hưởng mức pha tạp chất miễn độ lực điện tử khe lượng hàm mức pha tạp chất • Thế nội tổng cộng là: • Với Vb1, Vb2 tĩnh điện cân nhiệt bán dẫn • Giả sử xấp xỉ miền nghèo: 56 28 9/29/2010 Điện áp nội bán dẫn Điện áp nội bán dẫn N1 N2 nồng độ tạp chất miền bán dẫn Bề rộng miền nghèo tính theo cơng thức sau: Bề rộng miền nghèo bán dẫn Bề rộng miền nghèo bán dẫn 57 29 ... occurs in heavily-doped pn-junctions in which the depletion region width W is about 10 nm Zero-bias band diagram: Forward-bias band diagram: W EFn EFp EF EC EC EV EV W 43 Reverse-bias band diagram:... 9/29/2010 4. 7.1 Tích trữ hạt dẫn thiểu số (Minority-Carrier Storage) • Điện tích hạt dẫn thiểu số bơm vào đơn vị diện tích chứa miền N trung hòa tìm cách lấy tích phân lỗ thừa miền trung hòa (phần. .. bỏ qua • Trong nhiều ứng dụng, ta thường biểu diễn chuyển tiếp P-N tương đương Ngoài điện dung khuếch tán Cd điện dung miền nghèo Cj, ta phải kể đến dòng điện qua dụng cụ Với diode lý tưởng, độ