Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

1. 9/29/2010 ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) 1 Nội dung chương 4 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 dòng-áp 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 2 1
2. 9/29/2010 Nhận biết sự phân cực ở tiếp xúc PN • Dựa trên VP – VN: (VP là thế ở đầu Anode và VN là thế ở đầu Cathode) » 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS) 5 Sự tạo thành chuyển tiếp PN (1/2) Evac = mức năng lượng chân không 6 3
3. 9/29/2010 Điều kiện cân bằng nhiệt (1) • Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là sự chỉnh lưu dòng điện, nghĩa là chúng cho phép dòng dễ dàng chạy theo chỉ 1 chiều. Hình sau cho thấy đặc tuyến dòng-áp của 1 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 khi đưa vào "phân cực ngược", không có dòng điện chạy qua. • Khi phân cực ngược tăng, dòng điện giữ không đổi trị rất nhỏ cho tới khi đạt đến điện áp tới hạn mà tại đó dòng tăng đột ngột. Sự tăng đột ngột ở dòng điện này được gọi là đánh thủng chuyển tiếp (junction breakdown). Điện áp thuận được đưa vào thường < 1V, nhưng điện áp tới hạn ngược, hay điện áp đánh thủng, có thể thay đổi từ vài volts đến hàng ngàn volts phụ thuộc vào nồng độ pha tạp chất và các tham 9 số dụng cụ khác. Điều kiện cân bằng nhiệt (2) Đặc tuyến dòng-áp của 1 chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu. 10 5
4. 9/29/2010 Giản đồ dải năng lượng (Band diagram) • Mức Fermi • Để lại + – Gần dải dẫn ( loại N) – Ion donor dương (ND ), bên phải - – Gần dải hóa trị (loại P) – Ion acceptor âm (NA ), trái • Gắn lại với nhau • Tạo nên điện trường – Điện tử được khuếch tán • Tạo nên điện thế. – Lỗ khuếch tán • Miền điện tích không gian 13 Mức Fermi cân bằng (Equilibrium Fermi level) Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất bằng zero. Thì hoặc Tương tự, mật độ dòng điện tử: với Như vậy, với điều kiện dòng điện tử và lỗ bằng không, mức Fermi phải là hằng số. 14 7
5. 9/29/2010 (d) Điện trường cực đại: Điện trường cực đại, sẽ xảy ra ở chuyển tiếp luyện kim, được cho bởi: dV qNAD N W Emax dxx 0  SAD() N N (e) Sự thay đổi nồng độ hạt dẫn: 15 10 15 3 ] N N 10 cm -3 A D 1013 Wcalc 1.23 m 1011 n [cm-3] Emax( DC) 9.36 kV / cm -3 9 p [cm ] 10 Emax(sim) 8.93 kV / cm 107 Concentration [cm 105 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] 17 1015 0 14 -2 ] 5x10 -3 -4 0 -6 (x)/q [cm (x)/q 14 -5x10 -8 Electric [kV/cm] Electric field -1015 -10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] Distance [m] 18 9
6. 9/29/2010 4.3 Miền nghèo (Depletion region) 21 Miền nghèo (Depletion region) • Chuyển tiếp bước (Abrupt junction) – Chuyển tiếp PN được tạo thành bằng khuếch tán cạn hoặc cấy ion năng lượng thấp. – Sự phân bố tạp chất » Xấp xĩ bằng sự chuyển đột ngột nồng độ pha tạp giữa miền N và P. • Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính – Khuếch tán sâu hoặc cấy ion năng lượng cao. – Sự phân bố tạp chất thay đổi tuyến tính ở chỗ chuyển tiếp PN. 22 11
7. 9/29/2010 Miền nghèo với phân cực • Phân cực thuận (Forward bias) – Vbi-VF – Bề rộng miền nghèo W  • Phân cực ngược (Reverse bias) – Vbi+VR – Bề rộng miền nghèo W  Với V là điện áp đặt vào diode: • phân cực thuận V = VF > 0 25 • phân cực ngược V = -VR < 0 Linearly graded junction 26 13
8. 9/29/2010 Điện dung miền nghèo • Đặc tuyến điện dung-điện áp (Capacitance-voltage characteristics) • Đánh giá sự phân bố tạp chất (Evaluation of impurity distribution) • Diode biến dung (Varactor=Varicap) 29 Điện dung chuyển tiếp Định nghĩa: CJ là điện dung trên đơn vị diện tích [mặt cắt ngang] • Khi điện tích thay đổi đại lượng nhỏ dQ sẽ làm cho điện trường thay đổi 1 đại lượng nhỏ dE=dQ/ (từ phương trình Poisson). • Sự thay đổi tương ứng ở điện áp đưa vào dV được biểu diễn bằng diện tích gạch chéo ở hình bên và xấp xỉ bằng WdE=WdQ/s. Do đó Cj sẽ bằng 30 15
9. 9/29/2010 (f) Điện dung lớp nghèo (Depletion layer capacitance): Xét chuyển tiếp p+n, hay chuyển tiếp 1 bên, sẽ có W: 2k  V V W s 0 bi qND Điện dung miền nghèo được tính bằng: dQ qN dW qN k  1 2(V V ) C c D D s 0 bi 2 dV dV 2(Vbi V ) C qNDks0 2 1 C Thiết lập đo lường: 1 slope  ND W dW Phân cực ngược Phân cực thuận vac ~ V V Vbi V 33 Đánh giá sự phân bố tạp chất Xét chuyển tiếp p+-n với pha tạp chất bên N: Biểu thức của nồng độ tạp chất ở cạnh miền nghèo Như vậy ta có thể đo điện dung trên diện tích đơn vị với điện áp phân cực ngược và 2 vẽ 1/Cj theo V. 2 Độ dốc của đồ thị = d(1/Cj )/dV, cho nồng độ N(W) 34 17
10. 9/29/2010 Chuyển tiếp PN với phân cực thuận (VF) và phân cực ngược (VR) Miền nghèo Giản đồ dải năng lượng Phân bố hạt dẫn Phân cực thuận Phân cực ngược 37 4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng 38 19
11. 9/29/2010 • Tương ứng với những mật độ dòng khuếch tán: qD p (x x ) / L diff p n0 V /VT n p J p (x) (e 1)e Lp qD n (x x ) / L diff n p0 V /VT p n Jn (x) (e 1)e Ln Mô hình Shockley diff diff Jtot J p (xn ) Jn ( x p ) diff drift majority J diff J drift majority J p J p n n J tot diff diff minority J p minority J n x x p xn Không có tái hợp trong miền SCR 41 Phân bố của hạt dẫn thiểu số được bơm vào Mật độ dòng điện tử và lỗ [lý tưởng] (J = I/A) 42 Phân cực thuận Phân cực ngược 21
12. 9/29/2010 (d) Nguồn gốc của dòng điện: Phân cực thuận Phân cực ngược W EC EC Ln qV q V V q Vbi V bi qV EFp E Fn EV EFp EFn EV Lp W Dòng bão hòa ngược là do các hạt dẫn thiểu số bị thu thập qua khoảng cách cỡ chiều dài khuếch tán. 45 (e) Dòng điện hạt dẫn đa số: • Xét một diode được phân cực thuận dưới các điều kiện bơm mức thấp : Tính tựa trung hòa cần: n (x) n n (x) p (x) nn0 n n Điều này dẫn đến: p (x) n diff Dn diff pn0 Jn (x) J p (x) x Dp xn • Dòng lỗ tổng cộng trong miền tựa trung hòa (quasi-neutra regions): tot diff drift diff J p (x) J p (x) J p (x) J p (x) 46 23
13. 9/29/2010 4.5.2 Những hiệu ứng sinh-tái hợp và sự bơm [vào] mức cao 49 Những tính chất không lý tưởng trong chuyển tiếp PN: (A) Những dòng điện sinh và tái hợp J scr  Phương trình liên tục của lỗ: p 1 J p G R t q x p p  Trạng thái xác lập và quá trinh không có ánh sáng: p t 0, Gp 0 • [Mật độ] Dòng tái hợp tại SCR : xn xn dJ p (x) J p (xn ) J p ( x p ) q Rpdx x p x p xn J scr q Rpdx x p 50 25
14. 9/29/2010 Các điều kiện phân cực thuận: • Nồng độ n và p lớn trong miền nghèo: 2 V /VT 2 V /VT ni e 1 np ni e R  p n n1 n p p1 • Điều kiện để tốc độ tái hợp cưc đại: V / 2VT Thời gian sống tái hợp n p nie 2 V /VT ni e ni V / 2VT Rmax e , rec  p n n p pn rec • Ước lượng dòng tái hợp: max qniW V / 2VT J scr e rec 53 • Biểu thức chính xác cho dòng tái hợp: qni V / 2VT 1 qND 2Vbin V Jscr e ,  VT , Enp rec 2 Enp ks0 • Các sửa đổi với mô hình: qni V / mrVT J scr e rec • Dòng thuận tổng cộng: V /VT qni V / mrVT V / VT J J s e 1 e J s,eff e 1 rec  hệ số lý tưởng (ideality factor). Những sai biệt của  với 1 cho biết dòng tái hợp. 54 27
15. 9/29/2010 Hiệu ứng của bơm mức cao (B) Bơm mức cao • Ở mức dòng điện cao hơn nữa, ta thấy rằng dòng điện lệch khỏi trường hợp lý tưởng =1 và tăng lên từ từ với điện áp thuận. Hiện tượng này liên quan đến 2 hiệu ứng: điện trở nối tiếp và bơm mức cao. • Trước hết ta xét hiệu ứng điện trở nối tiếp. Ở những mức dòng điện thấp và trung bình, sụt áp IR ở miền trung hòa thường nhỏ so với kT/q (26mV ở 300K), với I là dòng điện thuận và R là điện trở nối tiếp. Sụt áp làm giảm phân cực miền nghèo, do đó dòng điện I là và dòng khuếch tán lý tưởng bị giảm đi 1 đại lượng là • Ở mật độ dòng điện cao, mật độ hạt dẫn thiểu số được bơm vào có thể so sánh vối nồng độ hạt dẫn đa số, nghĩa là Đây là điều kiện bơm cao 57 Điện trở nối tiếp RS Miền nghèo At higher current level, the effect of series resistance kicks in Needs a larger applied voltage to achieve the same level of current 58 29
16. 9/29/2010 4.6 Các mô hình của diode bán dẫn 61 Các mô hình diode (chưa xét đến đánh thủng ngược) Mô hình diode lý tưởng Mô hình sụt áp hằng Mô hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 1) (xấp xỉ bậc 2) (xấp xỉ bậc 3) • VON=0.7V với Si • là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có V >V ) = V /I rD DQ ON T DQ 62 31
17. 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
18. 9/29/2010  Ideal-diode Model: i 0, for v 0 OFF i any positive value 0, for v 0 ON P N 69  Example of the Branch Current Calculation : (based on the ideal-diode model) 70 35
19. 9/29/2010  Terminal Characteristics of a Real Diode: •Real I-V in normal scale 73 * The forward - bias diode current : v/nvt v/nvt i Is (e 1) Ise where Is 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 I2 , we can have I2 I2 V2 V1 nVtln 2.3n Vt log10 I1 I1 74 37
20. 9/29/2010  A Real I-V model, Graphical Analysis, and Iterative Analysis: Diode I-V i For the set of (VD , I D ), the load line is V V VDD/R I DD D D R v VDD 77 •Graphical Analysis: read out the intersection point directly! 78 39
21. 9/29/2010 Resistance levels • DC or Static resistance • AC or Dynamic resistance • Average AC resistance 81 DC or Static resistance 82 41
22. 9/29/2010 Average AC resistance 85 86 43