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

Nội dung text: Bài giảng môn Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 2 - 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. 4.6 Các mô hình của diode bán dẫn 3
3. Các cấp điện trở • Bán dẫn hoạt động khác nhau với dòng điện DC và AC. • Có 3 loại điện trở – Điện trở tĩnh hay DC : RD = VD/ID – Điện trở động hay AC: rd = ∆VD/ ∆ID định nghĩa tổng quát hơn rd = dVD/dID ( = VT/ID ở điểm VD > VON) – Điện trở AC trung bình: rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm) Điện trở AC trung bình Điện trở tĩnh RD Điện trở động rd 5
4. 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 7
5.  Ideal-diode Model: i 0, for v 0 OFF i any positive value 0, for v 0 ON P N 11
6. i  Constant Voltage Drop Model: v i 0, for v 0.7 OFF 0.7V i any positive value 0, for v 0.7 ON 9.3mA 0.7V 13
7.  Terminal Characteristics of a Real Diode: •Real I-V in normal scale 15
8.  Temperature Effect on the diode current: •At a given constant current the voltage drop across the diode decreases by approximately 2mV for every 1C increase in temperature. 17
9. 4.7 Điện tích chứa và quá trình quá độ 19
10. 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-H.17a), dùng phương trình 51: Chú thích: Với chiều dài Lp= là chiều dài khuếch tán của lỗ (hạt dẫn thiểu số) trong miền N. Ở x = xn 21
11. • Với chuyển tiếp p+-n (np0 << pn0), đóng góp Cd của điện tử chứa trở nên không đáng kể. Khi phân cực ngược (nghĩa là V âm), phương trình 77 cho thấy Cd vì sự tích trữ hạt dẫn thiểu số có thể bỏ qua được. • Trong nhiều ứng dụng, ta thường biểu diễn chuyển tiếp P-N bằng tương đương. Ngoài điện dung khuếch tán Cd và điện dung miền nghèo Cj, ta phải kể đến dòng điện đi qua dụng cụ. Với diode lý tưởng, độ dẫn điện có được từ phương trình 55: = I/VT Chú thích: • Trong phân tích mạch điện tử, người ta dùng ký hiệu rd = 1/G 25
12. 4.7.3 Đáp ứng quá độ • Với các áp dụng chuyển mạch, chuyển đổi từ phân cực thuận sang ngược gần như là đột ngột và thời gian quá độ ngắn. Hình 22a cho thấy mạch đơn giản với dòng thuận IF chạy qua chuyển tiếp P-N. • Tại thời điểm t=0, công tắc S đột ngột được chuyển sang phải và dòng ngược ban đầu IR V/R chạy qua. Thời gian quá độ toff được vẽ ở hình 22b, là thời gian cần cho dòng điện đạt đến 10% của dòng ngược ban đầu IR. • Thời gian quá độ có thể được ước lượng như sau. Trong điều kiện phân cực thuận, hạt dẫn thiểu số chứa trong miền N với chuyển tiếp p+-n được cho bởi phương trình 76: với I là dòng thuận và A là tiết diện ngang của dụng cụ. F 27
13. • 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. 29
14. Phân tích thời gian tắt toff ts tf • toff còn được gọi là thời gian hồi phục ngược (reverse recovering time ) tr hay trr. • tr = ts + tf • Tại t1<=0; I1=IF • Trong khoảng t1 < t < t2: I2=IR=-VR/R 31
15. t < 0 : 0 < t < ts: Giải phương trình vi phân trên: 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; 33 • dòng điện ngược rút ra I2
16. (b) Diode switching • For switching applications, the transition from forward bias to reverse bias must be nearly abrupt and the transit time short. • Diode turn-on and turn-off characteristics can be obtained from the solution of the continuity equations: J d pn 1 1D 1 p pn   J p Rp  dt q q x  p  dQ p Q p dQ p Q p I p (t) I(t) I p (t) dt  p dt  p Qp(t) = excess hole charge Valid for p+n diode 35
17. • 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: x / L Va /VT p Va /VT pn (x) pn0 e 1 e Q p Aqpn0Lp e 1  I F Va VT ln 1 I S 37
18. • To solve exactly this problem and find diode switching time, is a rather difficult task. To simplify the problem, we make the crucial assumption that IR remains constant even beyond t1. • The differential equation to be solved and the initial condition are, thus, of the form: dQ p Q p I R , Q p (0 ) Q p (0 )  p I F dt  p • This gives the following final solution: t /  p Q p (t)  p I R  p I F I R e • Diode switching time: I F Qp (trr ) 0 trr  p ln 1 I R 39
19. 4.8 Đánh thủng chuyển tiếp PN 41
20. Reverse breakdown in a p-n junction. 43
21. Hiệu ứng đường hầm (Tunnel effect) Đánh thủng đường hầm xảy ra trong các chuyển tiếp pn pha nhiều tạp chất và có bề rộng miền nghèo W khoảng 10 nm. • Khi có điện trường E cao (cùng chiều điện trường nội của miền nghèo): – 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 • Pha tạp chất cao, trên 5x1017cm-3 – 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 45
22. 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 47
23. Tốc độ ion hóa va chạm 49
24. Điện áp đánh thủng thác lũ (Avalanche breakdown voltage) • Đường đứt nét ở vùng pha tạp chất cao chỉ hiệu ứng xuyên hầm • GaAs có điện áp đánh thủng cao hơn Si với cùng tạp chất NB – Khe năng lượng lớn hơn – Cần điện trường lớn h ơn – Điện áp đánh thủng cao hơn. 51
25. Example 8 53