CHƯƠNG NỐI PN Chương Nối pn I.Chất bán dẫn 1.2.Chất bán dẫn • Xem chất bán dẫn no với số điện tử vòng ngồi 2n2 • Các nguyên tử Si(14), Ge (32) có điện tử vòng ngồi cùng,nên tương đối bền • Tinh thể Si ( Ge) nguyên tử gần có liên kết cọng hố trị, nên ngun tử Si xem có điện tử vòng ngồi nên bền, khơng có trao đổi điện tử với chung quanh, nên xem không dẫn điện Mẫu nguyên tử Si14 (theo BOHR) electron - +P N n=1 n=3 n=2 Hình Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Có cấu Si tạo bền Si Si Si Si Tuy nhiên,dưới tác dụng nhiệt (hoặc ánh sáng, điện trường…), số điện tử nhận lượng đủ lớn lượng liên kết cộng hoá trò ( lượng ion hoá 1.12 eV Si 0,6 eV Ge) nên khỏi ràng buộc nói để trở thành điện tử tự dễ dàng di chuyển mạng tinh thể Si trở nên dẫn điện Khi có điện tử rời khỏi vò trí để lại lỗ trống mang điện tích dương lỗ trống di chuyển ngược chiều với điện tử tự Hiện tượng gọi tượng sinh tạo nhiệt cặp điện tử tự – lỗ trống Hình Si Si Si Si Si + Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Sinh tạo cặp điện tử tự - lỗ trống Hình vẽ sau diễn tả hình ảnh nói chiều di chuyển điện tử tự chiều di chuyển lỗ trống Khi có điện tử đến chiếm chổ lỗ trống làm trung hoà điện tích tái tạo lại nối liên kết cộng hoá trò đựợc gọi tượng tái hợp cặp điện tử tự – lỗ trống Ở nhiệt độ cố đònh ta có cân tượng sinh tạo tái hợp cặp điện tử tự -lỗ trống, hay: ni = pi với: ni mật độ điện tử tự chất bán dẫn = p pi mật độ lỗ trống nchất n idẫn i i bán Lý thuyết bán dẫn cho : = A T exp(−q E g / kT ) đó: n i A số tuỳ thuộc chất bán dẫn T nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin) o o o K t C + 273 C Eg lượng cần thiết để bẽ gảy nối cọng hoá trò eV = 1,6 10 -19 J k số Bolztman = 1,38.10 -23 o -5 o J/ K=8,8510 eV/ K -19 q=1,6.10 C, điện tích điện tử o ÔÛ 300 K, 10 ni =1,5.10 / cm ( Si) = 2,5.10 10 /cm ( Ge) nhỏ so với mật độ nguyên tử mạng tinh thể = 22 5.10 /cm , nên chất bán dẫn dẫn điện yếu Chất bán dẫn pha (dope) Chất bán dẫn loại n Pha nguyên tử hoá trò ( P15 )vào tinh thể Si: P dùng điện tử vòng để liên kết cộng hoá trò với điện tử nguyên tử kế cận Còn lại điện tử thứ không liên kết nên dễ dàng di chuyển mạng tinh thể điện tử tự dẫn điện nguyên tử P cho điện tử tự do,Pha nhiều nguyên tử P cho nhiều điện tử tự hơn dòng điện maïnh Vbr I V Fig.6.15: Reverse I-V characteristics of a pn junction From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca Figure 1.31 AC circuit analysis: (a) circuit with combined dc and sinusoidal input voltages, (b) sinusoidal diode current superimposed on the quiescent current, (c) sinusoidal diode voltage superimposed on the quiescent value, and (d) forward-biased diode I-V characteristics with a sinusoidal current and voltage superimposed on the quiescent values Figure 1.25 The diode and load line characteristics for the circuit shown in Figure 1.24 3.Điện trở nối pn Ia.Điện D trở tónh RD = VD ID Q ID b.Điện trở động: ∆VD rd = ∆ID Q dVD = dID Q Q VD V C u rre n t = dI rd dV T angent I+ d I dI I dV V o lta g e 0 V V+dV Fig 6.14: The dynamic resistance of the diode is defined as dV/dI which is the inverse of the tangent at I From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca Thường thay đổi nhỏ nên ta có: gd = = rd VT = dID d = I S exp ( VD / VT ) − 1 = dVD Q dVD I S exp ( VD / VT ) = VT = r Có tròd thường bé ID Q không đáng kể ID VT ⇒ Q ( vài Ohm – vài chục Ohm ) xem Figure 1.22 The ideal diode: (a) I-V characteristics, (b) equivalent circuit under reverse bias, and (c) equivalent circuit in the conducting state Figure 1.27 The diode equivalent circuit (a) in the “on” condition when VD ≥ Vy, (b) in the “off” condition when VD < Vy, and (c) piecewise linear approximation when rf = Điện dung nối pn a.Điện dung chuyển tiếp Khi phân cực nghòch, vùng nới rộng hạt tải qua nên xem cách điện ( điện môi) Trong đó, vùng vùng có hạt tải điện (2 bảng dẫn điện ) Tụ điện có ñieän dung: Co = 11,7 C = Co (Si) T Co = 15,8 (Ge) = 8,85.10 -12 εo εo A A = Co xd W F/m CT có trò từ vài phần mười đến vài chục pF εo b.Điện dung khuếch tán Khi phân cực thuận có khuếch tán hạt tải qua nối, điện phân cực tăng lên lượng dV có gia tắng lượng dqj Tụ điện có điện dung cho bởi: dqj CD = CD có trò vài ngàn pF dV Ở tần số thấp Xc=1/ wC lớn, xem tụ hở mạch Ở tần số cao Xc bé, xem nhu tụ nối tắt Vậy tụ CT, CD làm nối pn không hoạt động tần số cao S C L N e u tr a l n -r e g io n p n '( ) I = Q p n(0 ) w hen dQ /τh Q V + d V w h en V p n o x' V to V + d V Fig 6.13: Consider the injection of holes into the n-side during forward bias Storage or diffusion capacitance arises because when the diode voltage increases from V to V+dV then more minority carriers are injected and more minority carrier charge is stored in the n-region From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca Mạch tương nối pn Khi phân cực thuận rd=0 Khi phân cực nghòch Mạch tương cao tần VD rd CD CT