4. Kết cấu của luận văn
2.1.2. lệch từ đường đặc tính V-I lý tưởng
Đẳng thức Shockley cho đường đặc tính V-I mong muốn về mặt lý thuyết của tiếp giáp n-p. Trong thí nghiệm mô tả đo đường đặc tính, đẳng thức sau đây được sử dụng:
I =ISeeV/(nidealkT) (2.9)
Với nideal là hệ số lý tưởng của điot. Với một điot lý tưởng, hệ số lý tưởng có giá trị duy nhất (n ideal = 1.0 ).Với điot thực tế, chỉ số giá trị đặc trưng trong khoảng nideal= 1,1- 1,5. Tuy nhiên, giá trị ở cùng một độ cao nideal =2,0 sẽ căn cứ vào diot arsen hóa trị III – V và diot photphua. Giá trị ở cùng một độ cao nideal = 7,0 có thể cho bởi điot GaN/GaInN. Giải thích chi tiết chỉ số điot lý tưởng đã được tiến hành, Ví dụ, Rhoderick và Williams(1988) , và Shah(2003).
Thường xuyên các diot có những đặc điểm không mong muốn hoặc điện trở kí sinh. Ảnh hưởng của điện trở mặc nối tiếp hoặc song song được thể hiện trên hình 2.4a. Điện trở nối tiếp có thể tạo thành bởi phần dôi lên của điện trở tiếp xúc hoặc bởi điện trở vùng trung tính. Một điện trở song song có thẻ tạo nên bởi bất kỳ dải nào mà có sự rẽ mạch dòng lớp tiếp giáp n-p. Đường rẽ này có thể tạo ra bởi vùng hỏng của lớp tiếp giáp n-p hoặc bề mặt bị hỏng.
Đường đặc tính V-I được đưa ra bằng đẳng thức Shockley, cần thiết để thay đổi đưa đến trong tính toán điện trở kí sinh. Giả sử điện trở mắc song song RP ( song song với điot lý tưởng) và điện trở nối tiếp RS (trong bộ với điot lý tưởng và điện trở shun), đường đặc tính V-I của điot phân cực thuận lớp tiếp giáp n-p được tính theo : ( ) e(V I R ) n kT s p S I e s idesl R R I V I − − . = . − . / (2.10)
Với Rp Æ∞ và Rs Æ 0, đây là giới hạn của đẳng thức Shockley
Một cách ngẫu nhiên, điot mở thì phân bố ngoài dải điện áp đúng hơn là xuất hiện đột ngột tại ngưỡng điện áp. Cả hai dạng của mở được trình bày trên hình 2.4b. Sự bật tắt không đột ngột được mệnh danh là tiểu giới hạn mở hoặc mở sớm. Dòng
giới hạn nhỏ có thể điều kiện bởi chuyên chở hạt tải điện qua trạng thái bề mặt hoặc tầng nằm dưới sâu của khối vật liệu bán dẫn.
Xem xét tỉ mỉ đường đặc tính V-I trên đường thẳng cũng như tỉ lệ logarit cấp phát cho sự chuẩn đoán các vấn đề lỗi của điện thế như điện trở mắc song song, điện trở nối tiếp, mở sớm và điot kí sinh. Hình 2.5 thể hiện số của hiệu suất kí sinh có thể xuất hiện trong diot. Sự chuẩn đoán này có thể cấp phát bộ đọc chuẩn đoán và xác định các lỗi đặc trưng trong điot.
Sự quét tuyến tính dòng điện âm với thang đo tăng lên thang logarit
phân cực không (cân bằng đẳng nhiệt) dưới phân cực thuận (dòng tái hợp) phân cực ngược (dòng phát sinh)
Sự phát sinh và tái hợp miền nghèo: đẳng thức Shockley cho điot không kể tính toán cho sự kiện phát sinh và tái hợp các hạt tải điện trong miền nghèo. Tuy nhiên, trong thực tế có các mức bẫy trong vùng nghèo, đó là điều mang lại nhiều biến cố
có khả năng xảy ra. Hạt tải điện phát sinh và tái hợp là nguyên nhân gây dòng dư cho cả hai phân cực thuận và ngược. Trong trạng thái phân cực thuận , dòng dư phù hợp với sự tái hợp của các hạt phụ tải trong vùng nghèo. Dòng tái hợp này chiếm ưu thế duy nhất tại điện áp thấp và mạng lại hệ số lý tưởng của 2,0.tại điện thế cao, dòng khuếch tán chiếm ưu thế cho hệ số lý tưởng của 1,0. Trong trạng thái phân cực ngược, dòng dư có làm phát sinh các hạt tải trong vùng nghèo. Dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường trong vùng nghèo, điện tải phát sinh làm tăng dần bề rộng lớp nghèo.
Dòng quang điện: trong phép đo thực tế với ánh sáng phòng, định vị điot trong một khối trong suốt phát sinh dòng điện quang thành ra phép đo cần hạt tải ra ngoài bóng tối. Đóng công tắc chiếu sáng phòng hoặc chuyển đổi sự thiết lập với màn tối trợ giúp trong sự khử dòng điện quang. Trong bóng tối, tại điện áp không, có thể dòng không. Tuy nhiên, dòng khác không rất nhỏ(vd: 10-12 A) là thường xuyên đo được.Dòng khác không thường xuyên phù hợp với giới hạn chính xác của dụng cụ đo. Dụng cụ tốt nhất có thể đo được dòng khoảng 10-15A tại phân cực không, là dễ dàng nếu đo hạt tải điện phát ra ngoài trong nền tối (10-15 A=1atton amper=10-3pA).
Điot với điện trở mắc nối tiếp: Điot với điện trở mắc nối tiếp cho thấy độ lệch hàm mũ trạng thái tại dòng thuận lớn. Theo định luật Kirchhoff về điện áp, điện áp qua ngang qua điot và lấy tổng điện trở. Chú ý rằng điện trở đơn có dạng tuyến tính và dạng logarit của đường đặc tính V-I khi nối các điểm trên đường thẳng và thang đo bán logarit tương ứng.
Điot với điện trở mắc song song (shun): theo định luật Kirchhoff về dòng điện, dòng điện trong điot bằng tổng các dòng qua điện trở. Chú ý rằng dốc nghiêng được nhìn thấy trên biểu đồ bán logarit có cùng cấp với dòng bão hòa ngược. Đây là đường đặc tính mà tại đó điện trở mắc song song có thể nhận ra .
Điot với điện trở mắc song song và nối tiếp: Ảnh hưởng của điện trở mắc song song và nối tiếp được thể hiện tại các đường dòng thấp và cao tương ứng.
Điot kí sinh với độ cao màn chắn giảm và phạm vi nhỏ hơn điot cơ sở: Như vậy sự diển thị mở sớm do có sự rò rỉ qua các trạng thái bề mặt tại đường bao quanh chip điot hặc vùng hỏng trong giới hạn khu vực tiếp giáp n-p. Chú ý rằng dốc trước trên đồ thị bán logarit có nhiều mức cao hơn dòng bão hòa nghich, điều đó có nghĩa là không đúng cho điot điện trở mắc song song (điện trở Shun).
(điểm giới hạn của đường đặc tính V-I của điot, cụ thể là điện áp thuận 1, Vf1 (đo tại dòng làm việc, VD 100mA), điện áp thuận 2,Vf2( đo tại dòng thấp,VD, 10µA), dòng thuận 3, Vf3( đo tại dòng rất thấp,VD, 1µA), và dòng bão hòa nghịch( đo tại Vd -5.0V).
2.1.3. Đánh giá của điot điện trở kí sinh.
Điot điện trở song song có thể được định giá gần gốc của đồ thị V-I tại V<<Eg/e. Với dải điện áp này, dòng điện lớp tiếp giáp n-p có thể kéo dài và điện trở song song tính bởi :
RP ≈dV/dI gần gốc tọa độ (2.11)
Chú ý rằng tại bất kỳ một điot phù hợp, điện trở song song lớn hơn nhiều so với điện trở nối tiếp vì thế điện trở nối tiếp không cần đưa vào phép tính khi tính toán điện trở mắc song song.
Điện trở mắc nối tiếp có thể được tính tại các điện áp cao khi V > Eg/e. Trên toàn bộ dải điện áp, đường đặc tính V-I trở nên tuyến tính và điện trở mắc nối tiếp là đường tiếp xúc với đường cong V-I, điều này được trình bày trên hình (2.7a). RS=dV/dI tại quá điện áp mở (2.12)
Tuy nhiên thực tế không thể định giá trị cho điot mắc nối tiếp tại điện áp cao do hiệu ứng gia nhiệt. Trong trường hợp này, biện pháp dưới đây sẽ rất tiện dụng.
(những phương pháp định giá điot mắc nối tiếp .(a) tiếp tuyến khi V>Vth cấp cho Rs, (b) đẳng thức được chèn vào trong hình trên là phù hợp cho phân cực thuận (V>>kT/e).
Cho thiết bị với điện trở mắc song song lớn (Rp → ∞), đường đặc tính V-I, cho trong biểu thức (2.10), có thẻ viết thành
(V I.R)/(n .kT)
se s ideal I
I= − (2.13)
I e kT n R dI dV ideal s 1 . + = (2.14)
Khi số hạng thứ hai trong vế phải của đẳng thức biểu diễn đạo hàm điện trở mặt tiếp giáp n-p. Nhân đẳng thức với I nhận ra điện trở nối tiếp của diot như độ
nghiêng của (IdV/dI)- chống lại –đồ thị I, như trên hình 2.7(b).
2.1.4. Năng lượng phát xạ
Năng lượng của photon phát ra từ vật liệu bán dẫn với khe năng lượng Eg được tạo bởi năng lượng vùng khe, tức là :
hν ≈Eg (2.15)
Trong điot lý tưởng, mọi điện tử được đưa vào trong vùng hoạt động sẽ phát ra photon. Năng lượng được bảo toàn như vậy đòi hỏi năng lượng của điện tử đưa vào bằng năng lượng của photon, như vậy điều kiện bảo toàn năng lượng :
eV =hν (2.16)
Đó là , điện áp đặt vào Led nhân với điện tích nguyên tố bằng năng lượng của photon. Có nhiều ảnh hưởng có thể biến đổi điện áp điot từ giá trị lý tưởng cho bởi đẳng thức (2.16). Những ảnh hưởng này sẽ được thảo luận sau.
2.1.5. Phân bố hạt tải điện ở lớp chuyển tiếp chung n-p.
Sự phân bố hạt tải điện ở lớp chuyển tiếp chung n-p, tức là lớp chuyển tiếp bao gồm một vật liệu đơn, phụ thuộc vào hằng số khuếch tán của hạt tải điện. Hằng số khuếch tán của hạt tải điện không dễ dàng đo được. Đặc trưng lớn nhất là đại lượng đo độ linh động hạt tải điện, VD, bằng hiệu ứng Hall. Hằng số khuếch tán có thể suy ra từ độ linh động hạt tải điện bằng hệ thức Einstein, cho vật liệu bán dẫn không suy biến, tính bởi:
n n e kT D = µ và p p e kT D = µ (2.17)
Hạt tải điện đưa vào trong vật liệu bán dẫn trung gian, không áp dụng cho miền điện tích ngoài, lan truyền bằng hiện tượng khuếch tán. Nếu hạt tải điện được đưa vào trong một vùng với loại dộ dẫn điện ngược, hạt tải phụ có sẽ tái hợp lại. Khoảng cách bình quân tán xạ hạt tải phụ trước khi tái hợp lại là chiều dài khuếch tán. Điện tử đưa vào trong miền p sẽ ở mức trung bình, tán xạ với độ dài khuếch tán Ln, trước khi tái hợp lại với lỗ trống. Độ dài khuếch tán được cho bởi công thức: Ln = Dn.τn và Lp = Dpτp (2.18)
Với τn và τp lần lượt là thời gian sống của điện tử và lỗ trống của hạt tải phụ. Với vật liệu bán dẫn điển hình, độ dài khuếch tán là của cùng một bậc của một vài micromet. VD, độ dài khuếch tán của điện tử trong loại p làm bằng GaAs được tính bởi Ln=(220 cm2/s x 10-8 s)1/2 ≈ 15µm. Theo đó, hạt tải phụ phân bố ngoài vùng đo vi lượng độ dày.
Sự phân bố của hạt tải điện ở lớp chuyển tiếp dưới phân cực không và dưới phân cực thuận được biểu diễn trên hình 2.8(a) và (b) tương ứng. Chú ý rằng hạt phụ tải được phân bố phía ngoài một khoảng rộng. Ngoài ra, nồng độ hạt tải phụ giảm bằng hạt tải điện khuếch tán xa hơn vào bên trong vùng bên cạnh. Như vậy sự tái hợp xuất hiện trong một vùng rộng, với sự thay đổi mạnh mẽ nồng độ các hạt tải phụ. Như hình biểu diễn dưới đây, vùng tái hợp rộng trong lớp chuyển tiếp chung không có ích cho hiệu suất tái hợp.
( a, chuyển tiếp chung dưới phân cực không,b, chuyển tiếp chung dưới phân cực thuận, c, tiếp giáp n-p chuyển tiếp dị thể dưới phân cực thuận. Trong chuyển tiếp chung, hạt tải điện khuếch tán, trung bình, độ dài khuếch tán trước khi tái hợp là Ln và Lp. Trong chuyển tiếp dị thể, hạt tải điện bị giới hạn bởi bộ ngăn cách chuyển tiếp dị thể.)
2.1.6. Phân bố hạt tải điện trong chuyển tiếp dị thể n-p
Tất cả các điot phát quang cường độ cao đã không sử dụng thiết kế chuyển tiếp chung mà sử dụng chuyển tiếp dị thể, điều này có nhiều thuận lợi rõ ràng hơn thiết bị ngoài chuyển tiếp chung. Thiết bị chuyển tiếp dị thể sử dụng 2 loại bán dẫn, cụ thể là dải khe nhỏ vùng hoạt động và dải khe lớn vùng chắn. Nếu thành phần kết cấu của hai hàng rào, tức là hai khe lớn vật liệu bán dẫn, khi đó kết cấu được gọi là kết cấu dị thể kép (Thường được viết tắt là DH).
Ảnh hưởng của chuyển tiếp dị thể đến phân bố hạt tải điện được thể hiện trên hình 2.8(c). Những hạt tải điện đưa vào trong miền hoạt động của kết cấu dị thể kép giới hạn miền hoạt động bằng phương pháp của màn chắn. Kết quả là, bề dày của
vùng mà tại đó các hạt tải điện tái hợp lại được đưa bởi bề dày của vùng hoạt động đúng hơn là chiều dài khuếch tán.
Hệ quả của sự biến đổi này là quan trọng. Chúng ta giả sử rằng bề dày của vùng hoạt động là rất nhỏ so với chiều dài khuếch tán. Chiều dài khuếch tán trong dải từ 1 đến 20 µm. Vùng hoạt động của chuyển tiếp dị thể kép trong dải từ 0,01 đến 1,0
m
µ . Như vậy, hạt tải điện trong vùng hoạt động của kết cấu dị thể kép có nồng độ cao hơn nhiều so với hạt tải điện trong chuyển tiếp chung, đó là phân bố khoảng ngoài chiều dài khuếch tán chung. Gọi lại đó là chế độ tái hợp bức xạ đưa bởi đẳng thức hai phần tử tái hợp, tức là:
R = Bnp (2.19)
Điều này đã chứng tỏ rằng nồng độ cao của hạt tải điện trong vùng hoạt động gia tăng chế độ bức xạ tái hợp và giảm thời gian tái hợp. Với nguyên nhân này, tất cả Led hiệu suất cao thiết kế sử dụng chuyển tiếp dị thể kép hoặc thiết kế giếng lượng tử.
2.1.7. Ảnh hưởng của chuyển tiếp dị thể trong thiết bịđiện trở.
Việc sử dụng cấu trúc dị thể cấp phát là một cách hoàn thiện hiệu suất phát xạ của Led bằng sự hạn chế hạt tải điện tới vùng hoạt động, theo cách đó đã phá hủy sự khuếch tán của hạt phụ tải cự ly xa. Kết cấu dị thể có thể còn được dùng để hạn chế ánh sáng tới vùng cộng hưởng; đặc biệt dùng trong phát quang biên. Hiện nay, bán dẫn được dùng trong Led và laser có nhiều chuyển tiếp dị thể,VD, cho lớp tiếp xúc, vùng hoạt động và vùng cộng hưởng. Mặc dù kết cấu dị thể cấp phát cải thiện cho thiết kế Led, nhưng vẫn còn một số vấn đề đi kèm với những chuyển tiếp dị thể. Một trong những vấn đề giới thiệu bởi kết cấu dị thể là điện trở gây bởi bề mặt chuyển tiếp dị thể. Nguồn ngốc của điện trở được trình bày trên hình 2.9(a), nó đã biểu diễn dải đồ thị của một kết cấu dị thể. Thành phần kết cấu dị thể của hai bán
dẫn với năng lượng vùng khe khác nhau và được giả định rằng cả hai mặt của cấu trúc dị thể là của độ dẫn loại n. Hạt tải điện trong dải vùng khe lớn vật liệu sẽ tán xạ qua dải vùng khe nhỏ vật liệu, tại đó chúng chiếm trạng thái dải dẫn của năng lượng thấp hơn. Kết quả của sự chuyển đổi điện tử, một cực tĩnh điện được hình thành, bao gồm lớp nghèo các điện tử dương với ion cho trong dải khe rộng vật liệu. Sự chuyển đổi điện tích dây dẫn điện tới dải cong được minh họa trên hình 2.9(a). Hạt tải điện chuyển đổi từ một bán dẫn tới vị trí khác phải vượt qua tấm chắn bằng hiệu ứng chui hầm hoặc bằng sự phản xạ nhiệt qua màn chắn. Điện trở tạo thành bởi chuyển tiếp dị thể có thể ảnh hưởng rất xấu trên đặc tính thiết bị, nhất là trong các thiết bị công suất lớn. Nguồn nhiệt hình thành bởi dây dẫn điện trở kết cấu dị thể tới nhiệt của vùng hoạt động, theo cách ấy làm giảm hiệu suất bức xạ.
Nó thể hiện rằng dải gián đoạn kết cấu dị thể có thể hoàn toàn loại trừ bởi sự xếp bậc của cấu trúc hóa học của bán dẫn trong vùng lân cận của kết cấu dị thể. Dải biểu đồ của sự phân loại kết cấu dị thể được thể hiện trên hình 2.9(b). Kiểm tra hình lộ ra thấy rằng nó không dài hơn đầu nhọn trong dải dẫn đó là trở ngại của dòng điện tử. Nó thể hiện rằng điện trở của parabol chia độ cấu trúc dị thể có thể so sánh được với khối vật liệu điện trở dời. Như vậy, điện trở được thêm vào hình thành bởi kết cấu chuyển tiếp dị thể gián đoạn có thể hoàn toàn loại trừ bằng sự chia độ parabol.