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

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

1. 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
2. Cụ thể ta sẽ khảo sát các chủ đề sau: • Sự tạo thành chuyển tiếp p-n. • Hoạt động của miền nghèo khi có phân cực điện áp. • Dòng điện trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của các quá trình sinh và tái hợp. • Điện tích chứa trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của với hoạt động quá độ. • Sự nhân đánh thủng trong chuyển tiếp p-n và tác động của nó lên điện áp ngược cực đại. • Đặc tuyến dòng-áp (I-V). • Các mô hình của diode bán dẫn. • Chuyển tiếp dị thể và các đặc tính cơ bản của nó. • Các loại diode bán dẫn. • Các ứng dụng của diode bán dẫn 3
3. Hình 2 (a) Wafer sau khi được rửa xong (development). (b) Wafer sau khi lấy đi phần SiO2 không mong muốn. (c) Kết quả sau cùng của quá trình quang khắc. (d) Chuyển tiếp p-n được tạo ra bằng quá trình khuếch tán hoặc cấy ion. (e) Wafer sau khi được kim loại hóa. (f) Chuyển tiếp p-n sau quá trình đầy đủ. 5
4. 4.1.2 Lithography (quang khắc) • Một công nghệ khác, đgl là quang khắc (photolithography), được dùng để định nghĩa dạng hình học của chuyển tiếp p-n. Sau khi tạo thành lớp SiO2, wafer được phủ bằng vật liệu nhạy với ánh sáng tia cực tím (UV) đgl chất cản quang (photoresist) mà được ép lên bề mặt wafer bằng máy quay tốc độ cao. Sau đó (hình 1c),wafer được nung ở 80-100oC để lấy dung môi ra khỏi chất cản quang và làm cứng nó để cho kết dính tốt hơn. • Hình 1d cho thấy bước kế tiếp, phơi sáng wafer qua 1 mặt nạ có khuôn với nguồn sáng UV.Vùng được phơi sáng của wafer có phủ chất cản quang sẽ có phản ứng hóa học, tùy theo loại chất cản quang. • Diện tích được ánh sáng chiếu vào trở nên bị polymer hóa và vùng này được giữ nguyên khi cho wafer vào máy rửa, trái lại vùng không có ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan và trôi đi. Hình 2a cho thấy wafer sau khi qua máy rửa. • Wafer lại được nung đến 120-180oC trong 20 phút để tăng cường sự kết dính và cải thiện sự chịu đựng với quá trình khắc tiếp theo. Rồi việc khắc dùng hydrofluoric acid (HF) lấy đi bề mặt SiO2 không có bảo vệ bởi chất cản quang (hình 2b) Sau cùng chất cản quang được loại đi bằng dung dịch hóa học hay hệ thống pasma oxy. Hình 2c cho thấy kết quả sau cùng của miền không có oxide (cửa sổ) sau quá trình quang khắc. Wafer lúc này sẵn sàng cho việc tạo chuyển tiếp p-n bằng quá trình khuếch tán hay cấy ion. 7
5. 4.1.4 Metallization (kim loại hóa) • Sau quá trình khuếch tán hay cấy ion, người ta dùng quá trình kim loại hóa để tạo nên các tiếp xúc Ohm và các kết nối (hình 2e). Các màng mỏng kim loại có thể được tạo nên bằng lắng đọng hơi vật lý và lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition=CVD). • Một lần nữa người ta dùng quá trình quang khắc để định nghĩa tiếp xúc phía trước (hình 2f). • Thực hiện kim loại hóa tương tự cho phần tiếp xúc phía sau không dùng quá trình quang khắc. Thông thường • Việc nung ủ nhiệt độ thấp (<=500oC) sẽ làm cho có tiếp xúc điện trở thấp giữa lớp kim loại và bán dẫn. • Khi hoàn tất quá trình kim loại hóa thì ta có thể sử dụng các chuyển tiếp p-n được rồi. 9
6. Cách nhận biết sự phân cực ở chuyển tiếp PN • Dựa trên VP – VN: (VP là thế ở đầu Anode và VN là thế ở đầu Cathode) » 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS) 11
7. Giả thiết khi phân tích 1. Chuyển tiếp PN loại bước 2. Dùng mô hình điện tích không gian bước 13
8. 4.2.1 Giản đồ dải năng lượng Hình 4 (a) Các bán dẫn (được pha tạp chất đều) loại P và N trước khi tạo thành chuyển tiếp. (b) Điện trường trong miền nghèo (depletion region) và giản đồ dải năng lượng của chuyển tiếp p-n ở điều kiện cân bằng nhiệt. • 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 15
9. 4.2.2 Những mức Fermi cân bằng (Equilibrium Fermi levels) Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất bằng zero. Thì hoặc Tương tự, ta có mật độ dòng điện tử: với Như vậy, với điều kiện dòng điện tử và lỗ bằng không, mức Fermi phải là hằng số (nghĩa là độc lập với x) trên toàn bộ mẫu thử như được minh họa trong giản đồ Hình 4b. 17
10. Rào thế Vbi (Bult-in potential) • Hiệu điện thế tĩnh điện giữa miền trung hòa bên P và bên N ở cân bằng nhiệt được gọi là điện thế nội (built-in potential) hay rào thế Vbi • Chú ý: – Người ta còn gọi Vbi với các tên khác là thế chuyển tiếp, thế tiếp xúc, hoặc điện áp khuếch tán (diffusion voltage) – Một số TLTK khác sử dụng ký hiệu j (j=junction) thay cho Vbi – Hệ quả: Quan hệ giữa hạt dẫn đa số - thiểu số: pn0 pp0 exp Vbi /VT  np0 nn0 exp Vbi /VT  với pn0 là nồng độ lỗ của bán dẫn N ở cân bằng nhiệt 19
11. 4.2.3 Điện tích không gian • Đi từ miền trung hòa tới chuyển tiếp, ta gặp 1 miền quá độ hẹp như ở hình 5c. Ở đây điện tích không gian của các ion tạp chất được bổ chính 1 phần bởi các hạt dẫn tự do. Vượt qua miền quá độ ta đi vào miền hoàn toàn nghèo (hạt dẫn tự do) ở đó mật độ hạt dẫn tự do là không. Đây được gọi là miền nghèo (còn được gọi là miền điện tích không gian). Với các chuyển tiếp p-n tiêu biểu trong Si và GaAs, bề rộng của mỗi miền quá độ nhỏ hơn nhiều bề rộng của miền nghèo. Do đó, ta có thể bỏ qua miền quá độ và biểu diễn miền nghèo bằng phân bố hình chữ nhật như trong hình 5d, với xp và xn chỉ bề rộng miền nghèo bên P và bên N (hoặc WP và WN) với miền nghèo hoàn toàn có p = n =0. Phương trình 7 trở thành 21
12. Thí dụ 1: Tính rào thế Vbi với chuyển tiếp p-n Si có NA = 18 -3 15 -3 10 cm và ND = 10 cm ở 300 K. Bài giải. Từ phương trình 12, ta có cũng từ hình 6 23
13. Hình 7 Miền nghèo • 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. 25
14. Chuyển tiếp bước 1 bên (One-sided abrupt junction) nghĩa là Trường giảm xuống zero tại x=W, do đó Với NB là nồng độ khối được pha tạp chất ít (nghĩa là ND với chuyển tiếp p+-n) 27
15. 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 • phân cực ngược V = -VR < 0 29
16. Rào thế Vbi 31
17. 4.4 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) 33
18. Đặc tuyến điện dung-điện áp • Phân cực ngược • Với chuyển tiếp bước 1 bên – Điện dung chuyển tiếp • Phân cực thuận – Điện dung khuếch tán » Từ hạt dẫn chuyển động – Điện dung chuyển tiếp 2 • Đồ thị của 1/Cj theo V là đường thẳng, Độ dốc của đường thẳng này cho biết nồng độ tạp chất NB của miền nền 2 • Phần giao (tại 1/Cj =0) cho Vbi 35
19. (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 1 C2 Thiết lập đo lường: 1 slope  ND W dW Phân cực ngược Phân cực thuận vac ~ V V Vbi V 37
20. Diode biến dung (Varactor=Varicap) Sử dụng tính chất điện dung miền nghèo thay đổi theo điện áp phân cực ngược: với Với n=1/3 cho chuyển tiếp biến đổi đều n=1/2 cho chuyển tiếp bước n>1/2 cho chuyển tiếp hyperabrupt Với m=-3/2, thì n=2, khi đó varactor này được nối với điện cảm L, tần số cộng hưởng: với 39
21. Hình 16. 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 41
22. (b) Những miền [tựa] trung hòa (Quasi-neutral regions): • Sử dụng các phương trình liên tục của hạt dẫn thiểu số, ta có được các biểu thức sau cho các mật độ lỗ và điện tử thừa trong miền tựa trung hòa: (x x ) / L V /VT n p pn (x) pn0(e 1)e (x x ) / L V /VT p n n p (x) n p0 (e 1)e n p (x) pn ( x) Miền điện tích Phân cực thuận không gian W Dp p pn0 n p0 x x p xn Phân cực ngược Với L là chiều dài khuếch tán của lỗ trong miền N có trị là sqrt(D  ). p p p 43
23. Phân bố của hạt dẫn thiểu số được bơm vào Mật độ dòng điện tử và lỗ [lý tưởng] (J = I/A) Phân cực thuận Phân cực ngược 45
24. Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng (a) Đồ thị tuyến tính (b) Đồ thị semilog 47
25. (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 J n (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) 49
26. (f) Các giới hạn của mô hình Shockley : • Mô hình Shockley (được đơn giản hóa) mô tả chính xác đặc tuyến I- V của các diode Ge ở những mật độ dòng điện thấp. • Đối với các diode Si và Ge, người ta cần kể đến nhiều hiệu ứng không lý tưởng quan trọng như: Sự sinh và tái hợp của các hạt dẫn trong miền nghèo. Những hiệu ứng điện trở nối tiếp do sụt áp trong những miền tựa trung hòa. Đánh thủng chuyển tiếp xúc ở những phân cực ngược cao do hiệu ứng đường hầm và ion hóa va chạm. 51
27. 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, G p 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 53
28. • Dòng sinh thắng thế khi ni nhỏ, đây là trường hợp thường thấy trong các diode Si và GaAs. I (log-scale) EC E V (log-scale) Fp AJ EV s EFn AJgen W Đặc tuyến I-V dưới Các hạt dẫn sinh ra bị điều kiện phân cực ngược quét ra khỏi miền nghèo 55
29. • 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. 57
30. So sánh đặc tuyến I-V phân cực thuận của diode Si và GaAs ở 300K. Các đường đứt nét chỉ các độ dốc với các hệ số lý tưởng khác. 59
31. 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 61
32. Đặc tuyến semilog của dòng điện diode ở phân cực thuận 63