ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn

9/29/2010

Chương 4

Chuyển tiếp PN (PN Junction)

1

Nội dung chương 4

2

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

1

9/29/2010

4.1 Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm tổng quát

3

Các chuyển tiếp PN bước và biến đổi đều

• Chuyển tiếp PN là 1 dụng cụ hai cực. • Dựa vào đồ thị pha tạp chất , người ta có thể chia các

chuyển tiếp PN thành 2 nhóm chính: - các chuyển tiếp bước - các chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính

N 

N 

D N

A

D N

A

ax

bên n bên p bên p

Chuyển tiếp bước (Step or abrupt junction)

4

bên n Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính (Linearly-graded junction)

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 ngược (REVERSE BIAS )

» = 0 : không có phân cực hay cân bằng

» > 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS)

5

Sự tạo thành chuyển tiếp PN (1/2)

6

Evac = mức năng lượng chân không

3

Sự tạo thành chuyển tiếp PN (2/2)

7

9/29/2010

4.2 Điều kiện cân bằng nhiệt

8

4

Điều kiện cân bằng nhiệt (1) • Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là sự chỉnh lưu

9/29/2010

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.

9

• 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 số dụng cụ khác.

Điều kiện cân bằng nhiệt (2)

10

Đặc tuyến dòng-áp của 1 chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu.

5

9/29/2010

Giả thiết khi phân tích

1. Chuyển tiếp PN loại bước 2. Dùng mô hình điện tích không gian bước

11

Mô hình điện tích không gian bước (Miền khối)

(Miền khối)

12

P N

6

9/29/2010

Giản đồ dải năng lượng (Band diagram)

• Mức Fermi

• Để lại

+), bên phải

– Gần dải dẫn ( loại N) – Gần dải hóa trị (loại P)

• Gắn lại với nhau

– Điện tử được khuếch tán  – Lỗ khuếch tán 

– Ion donor dương (ND -), trái – Ion acceptor âm (NA • Tạo nên điện trường  • Tạo nên điện thế. • Miền điện tích không gian

13

Mức Fermi cân bằng (Equilibrium Fermi level)

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

Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất bằng zero.

7

9/29/2010

(A) Chuyển tiếp bước ở cân bằng nhiệt:

biqV

FE

qV

VE

E i

bi

F

 ni

(a) Điện áp nội (Built-in voltage) Vbi:

bên p

bên n

E 

0

i

W

)(x

n n p

CE (còn gọi là thế nội B) iE  E E  pF    E TkE exp  F B   E exp TkE  i

n  i  n i

B

F

0

p

qND

p

p

0

V

ln

ln

+

bi

V T

x

Tk B q

n n 0 2 n i

NN DA 2 n i

   

   

   

   

)(xV

biV

x

)(xE

V

p

p

/

p

n

0

px

nx

bi /

V

n

- -qNA

 V T T V

n n

bi

p

0

0

x

maxE

15

(b) Quan hệ giữa hạt dẫn đa số - thiểu số:   exp 0   exp

(c) Bề rộng miền nghèo (Depletion region width):

 E x ( p

 V x (

,

)

)

)

0

V x ( n

E x ( n

V bi

p

bên p:

A

x

x

V x ( ) p

p

 Giải phương trình Poisson bậc nhất dùng xấp xỉ miền nghèo, với các điều kiện biên sau:  2

bên n:

x

 

2

V x ( ) n

x n

V bi

) 0,  qN   2 S qN D  2 S

 2 ( S

N V ) D bi

x V

 n (0)

  W

 N A qN N A D

p N x A p

x W  p  V (0) n N x D n

    

16

 S = hằng số điện môi của bán dẫn

 Sử dụng sự liên tục của 2 nghiệm tại x=0, và sự trung hòa điện tích, để có được biểu thức cho miền nghèo W:

8

9/29/2010

(d) Điện trường cực đại:

Điện trường cực đại, sẽ xảy ra ở chuyển tiếp luyện kim, được cho bởi:

E

 

 

max

dV dx

qN N W A D  N (

N

)

0

x

A

D

 S (e) Sự thay đổi nồng độ hạt dẫn:

1015

3

15

]

cm

3 -

A

1013

N 

calc

1011

N W E

 10 D 23.1  m 36.9  kV

/

cm

max(

DC

)

n [cm-3] p [cm-3]

109

E

kV 93.8

/

cm

max(

sim

)

107

m c [ n o i t a r t n e c n o C

105

0

0.5

3

3.5

2

1.5

1 2.5 Distance [m]

17

0

1015

]

-2

]

5x1014

3 -

m c / V k [

-4

l

m c [

0

-6

q / ) x ( 

-5x1014

-8

l

d e i f c i r t c e E

-1015

-10

0

0.5

2

1.5

3

3.5

0

0.5

2

1.5

3

3.5

1 2.5 Distance [m]

1 2.5 Distance [m]

18

9

10

1017

]

0

-10

5x10 16

]

3 -

-20

l

m c [

-30

0

q

-40

/ ) x ( 

-50

-5x10 16

l

-60

m c / V k [ d e i f c i r t c e E

-70

-1017

0.6

1.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.8 1 1.2 Distance [m]

Distance [m]

19

9/29/2010

(B) Equilibrium analysis of linearly-graded junction:

k

V

s

bi

W

(a) Depletion layer width:

 V 0 qa

12   

3/1   

2

E



(c) Maximum electric field:

max

0

2 s

(d) Depletion layer capacitance:

C

 

2 0 V

bi

qaW 8  sk  qak   V 12 

3/1   

2

ln

V

V T

g

2 3

8

Vka  0 s T 3 qn i

Based on accurate numerical simulations, the depletion layer capacitance can be more accurately calculated if Vbi is replaced by the gradient voltage Vg:   

  

20

10

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

9/29/2010

Chuyển tiếp bước (Abrupt junction)

miền nghèo

miền P trung hòa

miền N trung hòa

với

với

với

23

Với

Bề rộng miền nghèo W Điện trường cực đại Em

Chuyển tiếp bước 1 bên (One-sided abrupt junction)

 nghĩa là

Trường giảm xuống zero tại x=W, do đó

24

Với NB là nồng độ khối được pha tạp chất ít (nghĩa là ND với chuyển tiếp p+-n)

12

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 

25

Với V là điện áp đặt vào diode: • phân cực thuận V = VF > 0 • phân cực ngược V = -VR < 0

Linearly graded junction

26

13

9/29/2010

Built-in potential

27

4.4 Điện dung miền nghèo

28

14

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

• 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

Định nghĩa: CJ là điện dung trên đơn vị diện tích [mặt cắt ngang]

15

9/29/2010

Đặc tuyến điện dung-điện áp

• Với chuyển tiếp bước 1 bên

• Phân cực ngược

– Điện dung chuyển tiếp

• Phân cực thuận

– Điện dung khuếch tán

» Từ hạt dẫn chuyển động

– Điện dung chuyển tiếp

2 theo V là đường thẳng,

• Đồ thị của 1/Cj

Độ dốc của đường thẳng này cho biết nồng độ tạp chất NB của miền nền

• Phần giao (tại 1/Cj

2 =0) cho Vbi

31

Example 4

32

16

9/29/2010

(f) Điện dung lớp nghèo (Depletion layer capacitance):  Xét chuyển tiếp p+n, hay chuyển tiếp 1 bên, sẽ có W: 

V

2  k s

bi

W

 V 0 qN

D

qN

)

bi

C

k sD 

dQ c dV

D dV

qN (2 V

 0 V )

V (2 qN

V 

1  2 C

bi

 k sD

0

2

1 C

 Điện dung miền nghèo được tính bằng: dW

slope

Thiết lập đo lường:

1 DN

dW

Phân cực thuận

W

Phân cực ngược

V

vac ~

V

Vbi 

33

V

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

2 )/dV, cho nồng

Như vậy ta có thể đo điện dung trên diện tích đơn vị với điện áp phân cực ngược và 2 theo V. vẽ 1/Cj Độ dốc của đồ thị = d(1/Cj độ N(W)

34

17

9/29/2010

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

35

4.5 Đặc tuyến dòng-áp

36

18

9/29/2010

Chuyển tiếp PN với phân cực thuận (VF) và phân cực ngược (VR)

Miền nghèo

Giản đồ dải năng lượng

37

Phân bố hạt dẫn

Phân cực ngược Phân cực thuận

4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng

38

19

9/29/2010

Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng:

điện.

• Mật độ hạt dẫn tại các biên liên hệ với hiệu điện thế tĩnh điện trên

chuyển tiếp

• Bơm mức thấp (Low-level injection)  mật độ hạt dẫn thiểu số được

bơm vào phải nhỏ hơn nhiều mật độ hạt dẫn đa số

• Không có sự sinh-tái hợp trong miền điện tích không gian SCR

(space-charge region)

Giả sử: • Xấp xỉ miền nghèo bước; bên ngoài miền nghèo giả sử trung hòa

CE

qV

FnE

FpE VE

39

px

nx

(a) Miền nghèo: W

(b) Những miền [tựa] trung hòa (Quasi-neutral

regions):

 (

xx

/)

L

n

p

/ VV T e

)1

p

e

)( xp n

n

0

(

 xx

/)

L n

p

 n

)( x

n

/ VV T e

(

)1

e

p

p

0

)( x

)( x

n p

pn

Phân cực thuận

Miền điện tích không gian W

0np

0pn

x

px

nx

Phân cực ngược

40

• 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:  (

20

• Tương ứng với những mật độ dòng khuếch tán:

qD

 (

xx

/)

L

0

n

p

J

)( x

/ VV T e

(

)1

e

diff p

p np L

qD

(

 xx

/)

0

L n

p

J

)( x

/ VV T e

(

)1

e

diff n

p n pn L n

9/29/2010

J

J

(

x

)

J

(

x

)

diff p

n

diff n

p

Mô hình Shockley

majority

J

J

J

majority

J

diff n

drift n

tot drift p

diff p

totJ

diff

diff

minority

pJ

minority

nJ

x

px

nx

41

Không có tái hợp trong miền SCR

Phân bố của hạt dẫn thiểu số được bơm vào

42

Phân cực thuận

Phân cực ngược

Mật độ dòng điện tử và lỗ [lý tưởng] (J = I/A)

21

9/29/2010

(c) Mật độ dòng điện tổng cộng:

• Dòng tổng cộng bằng tổng của những dòng điện khuếch tán hạt dẫn thiểu số được định nghĩa ở các cạnh của SCR:

I

I

I

(

x

)

I

(

x

)

tot

diff p

n

diff n

p

0

0

TVV / e

Ge Si GaAs

1

pD np L

p

nD pn L n

  qA  

   

V

• Dòng bão hòa ngược (Reverse saturation current) IS:

D

0

0

I

s

2 qAn i

pD np L

p NL

D n NL

p

nD pn L n

Dp

An

  qA  

   

   

   

43

Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng

(a) Đồ thị tuyến tính

44

(b) Đồ thị semilog

22

9/29/2010

(d) Nguồn gốc của dòng điện:

W

CE

Ln

CE

qV

V

V

 Vq bi 

 Vq bi 

qV

FnE

FpE VE

FnE

FpE VE

Lp

W

Phân cực ngược Phân cực thuận

45

Dòng bão hòa ngược là do các hạt dẫn thiểu số bị thu thập qua khoảng cách cỡ chiều dài khuếch tán.

(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:

)(xnn



xn )( n

xp )( n

0nn

)(xpn



x )(

J

J

x )(

diff n

diff p

0np x

Điều này dẫn đến: D n D

p

nx

• Dòng lỗ tổng cộng trong miền tựa trung hòa (quasi-neutra

regions):

J

x )(

J

x )(

J

x )(

J

x )(

tot p

drift p

diff p

diff p

46

23

• Dòng trôi điện tử trong miền tựa trung hòa:

J

x )(

J

J

(

x

),

xE )(

J

x )(

diff n

tot

diff p

diff n

D n D

1 xqn )(

p

n

   

  1  

)(x

J drift n

totJ

J

x )(

J

x )(

J

x )(

tot n

diff n

drift n

J

x )(

J

x )(

diff n

diff p

)(x

J diff p

x

)(x

J diff n

47

9/29/2010

(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.

48

 Đánh thủng chuyển tiếp xúc ở những phân cực ngược cao do hiệu ứng đường hầm và ion hóa va chạm.

24

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

scrJ

 J



G

R

p

p

 p  t

p  x

1 q  Trạng thái xác lập và quá trinh không có ánh sáng:

tp 

0

 Phương trình liên tục của lỗ:

,0 pG

• [Mật độ] Dòng tái hợp tại SCR :

dJ

)( x

J

(

x

)

J

(

x

)



q

p

n

p

p

p

dxR p

x n  x

x n  x

p

p

J

q

scr

dxR p

x n  x

p

50

25

9/29/2010

Các điều kiện phân cực ngược:

• Nồng độ n và p có thể được bỏ qua trong miền nghèo:

E

E

i

i

t

R



,



exp

exp

g

p

n

2 n i 

n 

 n 1

p

p 1

n

g

E  t Tk B

E  i Tk B

  

  

  

  

• Dòng SCR thực ra là dòng sinh:

J



J



J

V

V

scr

gen

gen

bi

Wqn i 

Wqn i 

g

g

/ VV T

1 

J

J

J

 J

Thời gian sống để sinh hạt dẫn

• Dòng bão hòa ngược tổng cộng: 

eJ s

scr

s

gen

   VV T

51

• Dòng sinh thắng thế khi ni nhỏ, đây là trường hợp thường

thấy trong các diode Si và GaAs.

CE

I (log-scale)

V (log-scale)

FpE VE

sAJ

FnE

AJ

gen

W

52

Các hạt dẫn sinh ra bị quét ra khỏi miền nghèo Đặc tuyến I-V dưới điều kiện phân cực ngược

26

9/29/2010

Các điều kiện phân cực thuận:

• Nồng độ n và p lớn trong miền nghèo:

VV / T

VV / T

np

 R

2 en i



 1  p

2 en i   nn 1

n

p

1 p

• Điều kiện để tốc độ tái hợp cưc đại:

2/ VV T

n

p

/ VV T

R

2/ VV T e

Thời gian sống tái hợp

, 

max

 p

n

rec

en i 2 en i  n p

n i 

p

n

rec

• Ước lượng dòng tái hợp:

J

2/ TVV e

max scr

Wqn i 

rec

53

• Biểu thức chính xác cho dòng tái hợp:

V

qN

D

J

VV 2/ e T

, 

,

E

scr

V T

np

qn i 

 2

1 E

 V 2 bin k 

rec

np

0

s

/

J

TrVmV e

scr

• Các sửa đổi với mô hình: qn i 

rec

/

VV / T

V  T

 1

J

VmV / Tr e

J

V e

• Dòng thuận tổng cộng: 

1

eJ s

s

,

eff

qn i 

rec

  hệ số lý tưởng (ideality factor). Những sai biệt của  với 1 cho biết dòng tái hợp.

54

27

• Sự quan trọng của các hiệu ứng tái hợp:

Điện áp thấp, ni nhỏ  dòng tái hợp thắng thế Điện áp lớn  dòng khuếch tán thắng thế

log(I)

scrAJ

AJ

V

dAJ

• Ở mức dòng điện thấp, dòng tái hợp thắng thế và  =2. • Ở mức dòng điện cao hơn, dòng khuếch tán thắng thế và  tiến tới 1. 55

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.

56

9/29/2010

28

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

57

so sánh vối nồng độ hạt dẫn đa số, nghĩa là Đây là điều kiện bơm cao

Điện trở nối tiếp RS

Miền

At higher current level, the effect of series resistance kicks in Needs a larger applied voltage to achieve the same level of current

58

nghèo

29

9/29/2010

Ảnh hưởng của điện trở nối tiếp

59

Đặc tuyến semilog của dòng điện diode ở phân cực thuận

60

30

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 (xấp xỉ bậc 1)

Mô hình sụt áp hằng (xấp xỉ bậc 2)

Mô hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 3)

• VON=0.7V với Si • rD là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có VDQ >VON) = VT/IDQ

62

31

9/29/2010

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

– Điện trở AC trung bình:

rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm)

Điện trở động rd

Điện trở tĩnh RD

Điện trở AC trung bình 63

 Mô hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model):

V /nV T

D

I



D

I e s

assume V giả sử D

V T

D

D

D

d

D

For an instantaneous voltage v (t): v (t) V v (t) Với điện áp tức thời then we have the instantaneous current i (t): Thì ta có dòng điện áp tức thời là

v (t)/nV T

d

i (t) D

nghỉa là giả sử tín hiệu nhỏ



1, that is, a small

signal assumption

Nếu

I e D if v (t)/nV T

d

v (t)/nV T

d

)

I

i (t) D

I e D

I (1 D

D

v (t) d

v (t) d nV T

I D nV T

Nếu Since i (t)

I

D

D

i (t) DC AC; d We can have the AC i-v components: Ta có các thành phần i-v AC

i (t) d

v (t) d

I D nV T

incremental resistance)

So, we can also have the small-signal resistance (or the Vì vậy, ta có điện trở tín hiệu nhỏ

Ω

r d

nV T I

v (t) d i (t) d

D

64

Đặc tuyến dòng-áp (I-V): The diode I-V characteristics:

32

9/29/2010

Circuit Model

Categories of Circuit I-V Models:

Non-Linear Model Non-Linear Model

• Exponential (physical); • Exponential (physical); • Piecewise Linear; • Piecewise Linear; • Constant Voltage Drop; • Constant Voltage Drop; • Ideal-diode; • Ideal-diode; • Small signal (linear approximation); • Small signal (linear approximation);

 Reference : Table 3_1  Reference : Table 3_1

65

66

33

67

68

9/29/2010

34

 Ideal-diode Model:

i i

 

0, any

 for 0v positive

 

OFF for

0,

value

0v



ON

P N

69

 Example of the Branch Current Calculation :

(based on the ideal-diode model)

70

9/29/2010

35

i

 Constant Voltage Drop Model:

v

9/29/2010

0.7V

i i

 

0, any

 for v positive

0.7 value

 0, 

OFF v for

0.7

ON

9.3mA

0.7V

71

 Piecewise Linear Model:

i

for

OFF

D,0

0,  V

 Vv 

D,0

i

,

for

 Vv

ON

D,0

V  Dr

9.1mA

VD,0

72

36

 Terminal Characteristics of a Real Diode:

•Real I-V in normal scale

73

*

The

forward

-

bias

diode

current

:

v/n

v/n

tv

tv

1)

i

eI s

the

saturation

current

or the

scale

current;

the

thermal

voltage

(

25mV);

(eI s where is I s is v t isn

the

ideal

factor.

For two

diode

currents

and I 1

,I 2

we

can

have

nV

ln

2.3n

VV  1

2

t

logV t

10

I 2 I 1

I 2 I 1

  

  

  

  

74

9/29/2010

37

 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.

•See the practice before!

75

Ex. Using the fact that a silicon diode has Is=10-14 A at 25 C and that Is increases by 15% per C rise in temperature, find the value of Is at 125 C.

:Sol

14

I

10

A

C25 @

s

I

?

A

 125 @

C

s

(T

 )25  1

I

(T)

(1

15%)

I

 (25

)

s

s 

100

14

 8

 (125

)

I

(1.15)

 10

1.174

10

(A)

s

76

9/29/2010

38

 A Real I-V model, Graphical Analysis, and Iterative Analysis:

Diode I-V

i

,

),

the load line

is

DI

For the set  V

(V of D 

DD

V D

VDD/R

I

D

 R

v

VDD

77

•Graphical Analysis:  read out the intersection point directly!

78

9/29/2010

39

•Iterative Analysis: Device I-V + Load Line  Current Conservation.

(Ex.3.4) practice.

Diode

: V-I

I

I

s

D

V D nV t

  

V

  exp  V D

DD

Load

: V-I

I

D

 R

9/29/2010

Original guess

79

 Small Signal Model:

/nVV D t

The

diode

V-I

characteri

stics

:

I



V D

V t

For

an

instantane

ous

voltage

v

eI D s (t) v:

(t)

(t)

 assume  vV D

d

then we have

the instantane

D D ous current i

(t)

:

D

v

d

(t)/nV t

i

(t)

D vif



1,

that

is,

a

small signal assumption

d

eI D (t)/nV t

v

d

(t)/nV t

i

(t)

 )

I

v

(t)

D

eI D

(1I D

D

d

I D nV t

v (t) d nV t AC;

Since i

(t)

I

i

(t)

DC

d

v-i AC

components

:

D the

We

(t)

i

(t)

v

d

d

So,

the small

-

signal resistance (or the incrementa l resistance )

Ω 

r d

D can have I D nV t we can v (t) d (t) i

also have nV t I

d

D

80

40

9/29/2010

Resistance levels

• DC or Static resistance

• AC or Dynamic resistance

• Average AC resistance

81

DC or Static resistance

82

41

9/29/2010

AC or Dynamic resistance Forward bias region:

• The resistance depends on the amount of current(ID) in the diode.

• The voltage across the diode is fairly constant(26 mA for 25 C).

• rB ranges from a typical 0.1 Ohms for high power device to 2 Ohms for low power, general purpose diodes.

Reverse bias region:

• The resistance is infinite. The diode acts like an open.

83

AC or Dynamic resistance(cont’d)

84

42

9/29/2010

Average AC resistance

85

86

43

9/29/2010

Diode specification sheets

87

44