Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 4.2 - Hồ Trung Mỹ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý bán dẫn - Chương 4.2: Chuyển tiếp PN (tiếp theo), cung cấp cho người học những kiến thức như Các mô hình của diode bán dẫn; Điện tích chứa và quá trình quá độ; Đánh thủng chuyển tiếp; Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 4.2 - Hồ Trung Mỹ

ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Vật lý bán dẫn (EE1013) Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) 1
Nội dung 1. Các bước chế tạo cơ bản 2. Điều kiện cân bằng nhiệt 3. Miền nghèo 4. Điện dung miền nghèo 5. Đặc tuyến dòng-áp (I-V) 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
4.6 Các mô hình của diode bán dẫn  Các mô hình diode (chưa xét đến đánh thủng ngược) Mô hình diode lý tưởng Mô hình sụt áp hằng Mô hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 1) (xấp xỉ bậc 2) (xấp xỉ bậc 3) • VON = 0.7V với Si • rD là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có VDQ >VON) = VT/IDQ • Q = Quiescent point = điểm tĩnh = điểm hoạt động DC (IDQ, VDQ) 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 tĩnh RD Điện trở động rd Điện trở AC trung bình 4
TD: Áp dụng mô hình diode để tìm điểm tĩnh Q của diode Mô hình lý tưởng Mô hình sụt áp hằng Mô hình có rD (TD: VON = 0.7 V) 9.274 mA a) Phân cực thuận a) Phân cực thuận a) Phân cực thuận VD = 0 VD = 0.7 V VD = 0.7 V + VT = 0.726 V ⇒ ID = 10V/1k = 10 mA ⇒ ID = (10 – 0.7)/1k = 9.3mA ⇒ ID = (10 - VD)/1k = 9.274mA b) Phân cực ngược b) Phân cực ngược ID = 0 ⇒ VD = –10 V ID = 0 ⇒ VD = –10 V b) Phân cực ngược ID = 0 ⇒ VD = –10 V 5
Phương trình diode   qv D     v   i D = I S  exp  − 1 = I S  exp D  − 1   nkT     nVT   với IS = dòng bão hòa ngược (A) vD = điện áp đặt trên diode (V) q = điện tích điện tử (1.60 x 10-19 C) k = hằng số Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K) T = nhiệt độ tuyệt đối Kelvin n = hệ số không lý tưởng VT = kT/q = điện áp nhiệt (V) (25 mV nhiệt độ phòng [T=300K]) IS có trị tiêu biểu trong tầm từ 10-18 đến 10-9 A, và phụ thuộc nhiều nhiệt độ do nó phụ thuộc vào ni2. Hệ số không lý tưởng có trị tiêu biểu gần 1, nhưng gần với 2 với dụng có mật độ dòng cao. 6
Dòng diode với các cách phân cực • Phân cực ngược:   v   iD = IS exp D  −1 ≅ IS [0 −1] ≅ −IS   nVT   • Phân cực Zero: (không phân cực)   v   iD = IS exp D  −1 ≅ IS [1−1] ≅ 0   nVT   • Phân cực thuận:   v    vD  iD = IS exp D  −1 ≅ IS exp    nVT    nVT  7
Giải tích mạch diode: Cơ sở Phương trình vòng của mạch bên: V = I D R + VD Nó cũng được gọi là đường tải (load line) của diode (DCLL=DC Load Line). Nghiệm của phương trình này có thể tìm bằng: V và R có thể biểu diễn tương • Giải tích đồ thị dùng phương đương Thévenin của 1 mạng 2 cực pháp đường tải. phức tạp hơn. Đối tượng của giải • Giải tích với mô hình toán của tích mạch diode là tìm điểm [làm diode. việc] tĩnh (quiescent operating • Giải tích đơn giản hóa với mô point) Q của diode, nghĩa dòng và hình diode lý tưởng. áp DC ở diode. • Giải tích đơn giản hóa với mô hình sụt áp hằng. 8
Giải tích đường tải (thí dụ) Vấn đề: Tìm điểm Q Cho trước: V=10 V, R=10kΩ. Giải tích: 10 = I 104 + V D D Để định nghĩa đườg tải, ta dùng, VD= 0 I D = (10V / 10kΩ) = 1mA VD= 5 V, ID =0.5 mA Giao của 2 đường này cho nghiệm: Điểm Q = (0.95 mA, 0.6 V) 9
Đường tải DC (DC Load Line) I (mA) I R1 70 60 25 Ω 50 Diode characteristic VS 40 DC load line D1 VF 1.5 V 30 20 10 VF (V) 0.4 0.8 1.2 1.5 Phương trình đường tải: VS − VF 1.5V − VF = = I R1 25Ω 10
Giải tích dùng mô hình toán cho Diode Vấn đề: Tìm điểmQ với đặc tuyến diode Bằng cách đoán các giá trị lặp lại cho cho trước. VD và tăng hay giảm VD cho đến khi Dữ liệu: IS = 10-13 A, n = 1, VT = 0.025 V vế phải của phương trình bằng 10: Giải tích: Điểm Q= (0.943 mA, 0.574 V) 10 = I D 104 + VD thường thì 2 hay 3 số có nghĩa cho VD   VD   vì IS, n, VT, và R hiếm khi có độ chính  nV  − 1 = 10 [exp(40VD ) − 1] xác tốt hơn. −13 I D = I S exp    T  ∴10 = 10410−13 [exp(40VD ) − 1] + VD Ta sẽ SPICE nếu ta muốn dùng mô hình toán đầy đủ. Muốn giải hệ này ta phải dùng phương pháp tính số. 11
Newton’s Iteration Method for f (vD) = 0 12
Solution from a Spreadsheet 13
Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng Đặc tuyến Nếu diode được phân cực thuận, sụt áp trên diode lý tưởng diode là zero. Nếu diode được phân cực ngược,dòng qua diode là zero. vD =0 với iD >0 và iD =0 với vD < 0 Như vậy diode được giả sử là dẫn (ON) Ký hiệu diode lý tưởng hay tắt (OFF). Giải tích mạch diode theo các bước sau: • Đoán miền hoạt động của diode từ mạch. • Giải tích mạch dùng mô hình diode thích Ngắn Hở hợp với miền hoạt động được giả sử. mạch mạch • Kiểm tra xem kết quả tính có nhất quán với giả thiết hay không. 14
Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng (thí dụ) Giả sử diode ON (vì nó giống như Giả sử diode OFF. Từ đó ID =0. Anode có điện thế cao hơn Cathode). Phương trình vòng là: (10 − 0)V ID = = 1mA 10kΩ 10 + VD + 104 I D = 0 ID ≥ 0 ∴VD = −10V (giả thiết đúng). (giả thiết đúng) Điểm Q là (0, -10 V) Điểm Q là (1 mA, 0V) 15
Giải tích dùng mô hình sụt áp hằng cho diode Giải tích: Mô hình sụt áp hằng Giả sử diode ON. Hở mạch (10 − Von ) V ID = 10kΩ (10 − 0.6) V vD = Von với iD >0 và = = 0.94 mA vD = 0 với vD < Von. 10kΩ Mô hình lý tưởng là mô hình sụt áp hằng với Von = 0V. 16
Giải tích mạch 2 diode Giải tích: Mô hình diode lý tưởng được chọn. Vì nguồn 15V đang cấp dòng điện dương qua D1 và D2 và nguồn -10V đang cấp dòng điện dương qua D2, ta giả sử cả 2 diodes đều ON. Từ điện thế tại nút D là zero do ngắn mạch của diode lý tưởng D1, (15 − 0)V I1 = = 1.5 mA I D2 = 0 − (−10)V = 2 mA 10kΩ 5kΩ I1 = I D1 + I D2 I D1 =1.5 − 2 = −0.5 mA Các điểm Q(-0.5 mA, 0 V) và (2.0 mA, 0 V) Nhưng, ID1 < 0 thì không đúng với giả thiết là D1 ON, do đó thử lại. 17
Giải tích mạch 2 diode (2) Vì dòng trong D1 là zero, ID2 = I1, 15 −10kI1 − 5kI D2 − (−10) = 0 25V I1 = =1.67mA 15kΩ VD1 =15 −10kI1 =15 −16.7 = −1.67V Giải tích: Từ đó dòng trong D2 thì đúng nhưng dòng Các điểm Q là D1 : (0 mA, -1.67 V): OFF trong D1 thì không đúng, ta giả sử tiếp D1 OFF và D2 D2 : (1.67 mA, 0 V) : ON ON. 18
Modeling the Diode Forward Characteristics Source: NTUEE Electronics – L.H. Lu 19
Modeling the Diode Forward Characteristics (2/2) Source: NTUEE Electronics – L.H. Lu 20