Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 2 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 2 - 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 4.7.1 Tích trữ hạt dẫn thiểu số (Minority-Carrier Storage) • Điện tích của những hạt dẫn thiểu số được bơm vào trên đơn vị diện tích được chứa trong miền N trung hòa có thể được tìm bằng cách lấy tích phân những lỗ thừa trong miền trung hòa (phần hình vẽ có tô đen), dùng phương trình 51: Chú thích: 5 • Ta cũng có biểu thức tương tự cho những điện tử được tích trữ trong miền P trung hòa. Số hạt dẫn thiểu số tích trữ được phụ thuộc vào cả chiều dài khuếch tán L và mật độ điện tích ở cạnh (biên) miền nghèo. Ta có thể biểu diễn điện tích chứa theo dòng bơm vào. Từ các phương trình 52 và 75, ta có (76) • Phương trình trên phát biểu rằng lượng điện tích chứa là tích số của dòng điện và thời gian sống của hạt dẫn thiểu số. Có điều này là do lỗ (được bơm vào) lại khuếch tán nữa vào miền N trước khi tái hợp nếu thời gian sống của chúng dài hơn, như vậy có nhiều lỗ được tích trữ hơn. 6 3
3. 9/29/2010 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của diode (a) Mô hình chưa kể đến RS và LS (c) C phụ thuộc vào phân cực 9 (b) Mô hình kể đến RS (điện trở khối) và LS (điện cảm dây dẫn) Differential capacitance 10 5
4. 9/29/2010 • Equation for pn1(x): d 2 p 1 i d 2 p p (x) n1 p p (x) 0 n1 n1 0 2 D  n1 2 2 dx p p dx Lp' • Boundary conditions: pn ( ,t) pn0 pn1( ) 0 V V eit p V V p (0,t) p exp 0 1 p (0) n0 1 exp 0 n n0 n1 VT VT VT • Final expression for pn1(x): p V V x p (x,t) n0 1 exp 0 exp n1 VT VT Lp' 13 • Small-signal hole current: AqD p V dpn1 p n0 1 V0 I1 AqD p 1 i p exp YV1 dx x 0 LpVT VT • Low-frequency limit for the admittance Y: AqDp pn0 V0 1 Y exp 1 i p Gd iCdif LpVT VT 2 V0 /VT AqDp pn0 V0 Ise I dI Gd exp , I Forward current LpVT VT VT VT dV 1 AqDp pn0 V0 1 I Cdif  p exp  p 2 LpVT VT 2VT • RC-constant: The characteristic time constant is on  p R C the order of the minority carriers lifetime. d dif 2 14 7
5. 9/29/2010 (a) Mạch chuyển mạch cơ bản (b) Đáp ứng quá độ của dòng được chuyển từ phân cực thuận sang ngược Hình 22. Đáp ứng quá độ của chuyển tiếp P-N. 17 • Nếu dòng trung bình chạy trong lúc diode tắt là IR,ave, thời gian tắt là thời gian cần để lấy đi tổng điện tích chứa Qp: • Như vậy thời gian tắt phụ thuộc vào cả tỉ số của dòng thuận trên ngược và thời gian sống của hạt dẫn thiểu số p (xem hình 23). • Với các dụng cụ chuyển mạch nhanh, ta phải giảm thời gian sống của hạt dẫn thiểu số. Do đó, các trung tâm tái hợp-sinh có những mức năng lượng gần giữa dải cấm, như người ta thường thêm vàng vào Silicon. 18 9
6. 9/29/2010 Thời gian tích trữ điện tích ts Với chuyển tiếp p+-n, dùng phương trình liên tục, ta có Nhân qAdx ở cả 2 bên của phương trình trên, ta có Hoặc Nếu Do đó: 21 t < 0 : Ở trạng thái xác lập Do đó: 0 < t < ts: Giải phương trình vi phân trên, ta có nghiệm: Bởi vì tại NX: Thời gian tích trữ điện tích ts phụ thuộc vào: • thời gian sống của hạt dẫn thiểu số; • dòng điện thuận bơm vào I1; 22 • dòng điện ngược rút ra I2 11
7. 9/29/2010 Diode turn-on: • For t<0, the switch is open, and p+ n the excess hole charge is: Q (t 0) Q (0 ) 0 p p t=0 • At t=0, the switch closes, and we have the following boundary IF condition: Qp (0 ) Q p (0 ) 0 • Final expression for the excess hole charge: t /  t /  Q (t) A Be p  I 1 e p p p F 25 • Graphical representation: Q p (t) pn (x,t) Slope almost constant  p I F t increasing pn0 t x • Steady state value for the bias across the diode: Va /VT x / Lp Va /VT pn (x) pn0 e 1 e Q p Aqpn0Lp e 1  I F Va VT ln 1 I S 26 13
8. 9/29/2010 • Graphical representation: Va (t) t pn (x,t) Slope almost constant t=0 VR t=t pn0 s I F t trr x t t s rr t 0.1I R ts switching time trr reverse recovery time I R 29 4.8 Đánh thủng chuyển tiếp PN 30 15
9. 9/29/2010 Đánh thủng chuyển tiếp • Hiệu ứng xuyên hầm (Tunneling effect) • Nhân thác lũ (Avalanche multiplication) – Đặt giới hạn cao ở phân cực ngược với hầu hết diode – Giới hạn điện áp collector của BJT – Giới hạn điện áp drain của MOSFET – Có thể tạo công suất vi-ba (microwave), như trong diode IMPATT – Phát hiện tín hiệu quang như trong diode quang thác lũ (avalanche photodetector) 33 Hiệu ứng đường hầm a) Chưa phân cực: (Tunnel effect) • Điện trường cao (reverse direction) – Di chuyển của điện tử hóa trị từ dải hóa trị sang dải dẫn (xuyên hầm = tunneling) – Xảy ra chỉ khi điện trường rất cao • Si, GaAs trên 106V/cm 17 -3 b) Phân cực ngược: • Pha tạp chất cao, trên 5x10 cm – Hệ số nhiệt âm (TCVBR <0) – Điện áp đánh thủng • Nhỏ hơn 4Eg/q • Với thác lũ: lớn hơn 6Eg/q • Giữa 4 và 6Eg/q, trộn cả hai thác lũ và đường hầm 34 17
10. 9/29/2010 Tốc độ ion hóa va chạm 37 Điện trường tới hạn tại đánh thủng (Critical field at breakdown) V/cm) 5 10 Xuyên đường hầm chỉ xảy ra ở ng ( ng pha tạp chất cao thủ nh nh  Điện áp trong miền nghèo được á i i đ xác định từ giải phương trình tạ n Poisson, chuyển tiếp bước 1 phía hạ i ớ ngt ườ  Với chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính ntr ệ Đi EC: điện trường tới hạn (critical field) 38 19
11. 9/29/2010 Example 8 41 Breakdown Mechanisms • Junction breakdown can be due to:  tunneling breakdown  avalanche breakdown • One can determine which mechanism is responsible for the breakdown based on the value of the breakdown voltage VBD :  VBD 6Eg/q avalanche breakdown  4Eg/q < VBD < 6Eg/q both tunneling and avalanche mechanisms are responsible 42 21
12. 9/29/2010 Avalanche breakdown: • Most important mechanism in junction breakdown, i.e. it imposes an upper limit on the reverse bias for most diodes. • Impact ionization is characterized by ionization rates an and ap, defined as probabilities for impact ionization per unit length, i.e. how many electron-hole pairs have been generated per particle per unit length: Ei i  exp qFcr - Ei critical energy for impact ionization to occur - Fcr critical electric field - l mean-free path for carriers 45 Avalanche mechanism: EF p EFn EC EV Generation of the excess electron-hole pairs is due to impact ionization. Expanded view of the depletion region 46 23
13. 9/29/2010 • Limiting cases: (a) an=ap (semiconductor with equal ionization rates): 1 W 1 1 dx M M n n W n 0 1 dx n 0 1 W 1 1 dx M p p W M p 0 1 pdx 0 (b) an>>ap (impact ionization dominated by one carrier): W ndx W 0 M n e 1 ndx 0 49 Breakdown voltages: (a) Step p+n-junction • For one sided junction we can make the following approximation: W Wn Wp Wn p n • Voltage drop across the depletion region on the n-side: 1 1 Vn FmaxWn VBD FmaxW Wp W 2 2 n • Maximum electric field: F(x) qN DW ks0 2 F Fmax VBD Fmax max ks0 2qN D • Empirical expression for the breakdown voltage VBD: 3/ 2 x Eg N kV V 60 D BD 16 1.1 10 cm 50 25
14. 9/29/2010 Chuyển tiếp dị thể • Cho đến bây giờ, chúng ta đã bàn về hoạt động của những chuyển tiếp đồng thể(homo junctions). Một chuyển tiếp PN là chuyển tiếp đồng thể nếu có cùng khe năng lượng cho bán dẫn N và P. Với chuyển tiếp dị thể thì khác. Khi đó 2 bán dẫn có khe năng lượng khác nhau tạo thành chuyển tiếp. Chuyển tiếp dị thể xảy ra trong những vùng khác nhau do: – Các nguyên nhân về công nghệ – Đặc tính điện: • Điện trường trong miền điện tích không gian được tăng lên. • Pin mặt trời (Solar cell): điện áp hở mạch cao hơn và sự rút các hạt dẫn ra tốt hơn. • Transistor có độ linh động cao: Transistor nhanh hơn – Đặc tính quang: • Các lớp với khe năng lượng cao hơn có thể được dùng làm "cửa sổ quang". • Chuyển tiếp dị thể là chuyển tiếp có từ 2 bán dẫn không giống nhau. Chúng có khe năng lượng Eg khác nhau. Hơn nữa, 2 bán dẫn khác nhau sẽ có hằng số điện mội εs khác nhau, công thoát qΦs khác53 nhau và độ ái lực điện tử q khác nhau. • Công thoát qΦs được định nghĩa là năng lượng để lấy điện tử ra khỏi mức năng lượng Fermi EF đến vị trí bên ngoài vật liệu (mức chân không). • Độ ái lực điện tử q là năng lượng cần để lấy điện tử ra khỏi đáy dải dẫn đến mức chân không. Với Eg là hiệu số dải năng lượng và Eg = Eg1 – Eg2 Hình 32a. Giản đồ năng lượng của 2 bán dẫn cách ly. 54 27
15. 9/29/2010 Điện áp nội trong bán dẫn 1 Điện áp nội trong bán dẫn 2 N1 và N2 là nồng độ tạp chất trong miền bán dẫn 1 và 2. Bề rộng của miền nghèo tính theo các công thức sau: Bề rộng miền nghèo trong bán dẫn 1 Bề rộng miền nghèo trong bán dẫn 2 57 29