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 1C 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