Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 4 - Nguyễn Trung Hiếu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:259

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật lý bán dẫn" Chương 4 - Chuyển tiếp PN, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Mô hình hóa chuyển tiếp P-N; Sự hình thành miền nghèo; Giản đồ dải năng lượng; Rào thế - Điện thế nội; Đặc tính của miền nghèo; Điện dung miền nghèo; Các phương pháp giải mạch điện diode; Một số bài tập giải mạch diode

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 4 - Nguyễn Trung Hiếu

VẬT LÝ BÁN DẪN (EE1007) Chương 4-1: Chuyển tiếp P-N HIEU NGUYEN Bộ môn kỹ thuật điện tử Đại học Bách Khoa Tp.HCM HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 1 / 95
Tổng quát Nội dung chương này giới thiệu về chuyển tiếp P-N. Đây là khối xây dựng cơ bản nằm trong các linh kiện phổ biến như Diode, Zenner, Thyristor, BJT, MOSFET, ... Nội dung chương này gồm các phần: Các bước chế tạo nên chuyển tiếp P-N sử dụng công nghệ Planar Các đặc điểm, tính chất của chuyển tiếp P-N Đặc tuyến, kỹ thuật giải mạch và ứng dụng của 1 số linh kiện có khối xây dựng chính là chuyển tiếp P-N HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 2 / 95
Chuyển tiếp P-N Chuyển tiếp P-N là cấu trúc đơn tinh thể chứa cả 2 miền bán dẫn loại P (Acceptor) và N (Donor). Diode (hay diode chỉnh lưu) là linh kiện tiêu biểu và phổ biến nhất sử dụng chuyển tiếp này làm khối xây dựng chính. Ký hiệu của linh kiện này thường được sử dụng như hình HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 3 / 95
Chuyển tiếp P-N Trên thực tế, việc tạo nên chuyển tiếp P-N không đơn giản chỉ là ghép 2 miếng bán dẫn loại P và loại N lại với nhau bởi 2 lí do chính sau: Khi ghép 2 miếng lại, nếu hướng tinh thể của 2 miếng (biểu diễn bởi chỉ số Miller) không giống nhau thì không thể ghép thành 1 cấu trúc đồng nhất Dù cả 2 miếng có cùng hướng tinh thể, thì khi đặt hai miếng bán dẫn sát lại, tại vị trí mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện 1 lớp không khí rất mỏng ngăn cách. Lớp không khí này cản trở dòng hạt chạy giữa 2 miếng bán dẫn và dẫn đến không thể hình thành dòng điện Công nghệ Planar là công nghệ phổ biến dùng để tạo nên chuyển tiếp P-N HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 4 / 95
Nội dung 1 Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N 2 Mô hình hóa chuyển tiếp P-N 3 Sự hình thành miền nghèo 4 Giản đồ dải năng lượng 5 Rào thế - Điện thế nội 6 Đặc tính của miền nghèo 7 Điện dung miền nghèo 8 Tài liệu tham khảo HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 5 / 95
Nội dung 1 Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N 2 Mô hình hóa chuyển tiếp P-N 3 Sự hình thành miền nghèo 4 Giản đồ dải năng lượng 5 Rào thế - Điện thế nội 6 Đặc tính của miền nghèo 7 Điện dung miền nghèo 8 Tài liệu tham khảo HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 6 / 95
Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N Hiện nay, công nghệ Planar được sử dụng nhiều để chế tạo các linh kiện bán dẫn cũng như IC. Các bước chính của công nghệ này theo thứ tự bao gồm: Quang khắc (Lithography) Oxy hóa (Oxidation) Khuếch tán tạp chất (Dopant diffusion) hoặc Cấy ion (Ion Implantation) Tạo bề mặt kim loại (Surface Metal Patterning) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 7 / 95
Quang khắc a Bước đầu tiên, phủ một lớp silicon nitride (Si3N4) lên trên bề mặt tấm bán dẫn (giả sử đang xét bán dẫn loại N) b Phủ thêm 1 lớp cản quang (Photoresistor - PR) lên phía trên lớp Si3N4 HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 8 / 95
Quang khắc c Chiếu lên lớp cản quang tia UV thông qua 1 mặt nạ d Phần lớp cản quang không được chiếu UV bị rửa trôi đi. Phần được chiếu tia UV được giữ lại HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 9 / 95
Quang khắc e Rửa trôi tiếp đi lớp Si3N4 được định hình bởi lớp cản quang f Rửa trôi đi phần lớp cản quang còn lại HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 10 / 95
Oxy hóa Một lớp silicon dioxide (SiO2) được phát triển trên bề mặt lớp n sử dụng quá trình oxy hóa nhiệt. Phần được che phủ bởi Si3N4 sẽ ngăn cản không cho SiO2 phát triển. Đây là mục đích chính của việc định hình lớp Si3N4 HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 11 / 95
Oxy hóa Sau khi quá trình oxy hóa hoàn tất, lớp Si3N4 được rửa trôi. Kết quả: hình thành một lớp oxide mỏng bị trống ở chính giữa HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 12 / 95
Cấy tạp chất Việc cấy tạp chất (cấy ion hoặc khuếch tán tạp chất) được thực hiện để tạo ra một vùng ngược với loại của bán dẫn ban đầu (ví dụ: ban đần ta sử dụng bán dẫn loại N thì ta cấy tạp chất để tạo ra lớp bán dẫn loại P ở vùng màu xanh). Lớp oxide đóng vai trò hấp thụ và ngăn chặn tạp chất xâm nhập vào lớp nền ở bất cứ đâu trừ khu vực bị trống HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 13 / 95
Tạo bề mặt kim loại Một lớp kim loại được tạo nên ở mặt trên của miếng bán dẫn. Lớp kim loại cũng được sử dụng kỹ thuật quang khắc để lấy ra một phần ở vị trí tiếp xúc (để lấy tín hiệu điện ra) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 14 / 95
Tạo bề mặt kim loại Một lớp kim loại được tạo nên ở mặt dưới của miếng bán dẫn (để lấy tín hiệu điện ra ở cực còn lại) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 15 / 95
Mặt cắt của cấu trúc Sau bước tạo bề mặt kim loại, ta tạo được một cấu trúc có mặt cắt như hình. Hai lớp kim loại còn được gọi là điện cực (electrode). Trong đó, điện cực tiếp xúc với lớp P là Anode và điện cực tiếp xúc với lớp N là Cathode HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 16 / 95
Nội dung 1 Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N 2 Mô hình hóa chuyển tiếp P-N 3 Sự hình thành miền nghèo 4 Giản đồ dải năng lượng 5 Rào thế - Điện thế nội 6 Đặc tính của miền nghèo 7 Điện dung miền nghèo 8 Tài liệu tham khảo HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 17 / 95
Mô hình hóa chuyển tiếp P-N Mặc dù sau khi chế tạo theo công nghệ Planar, chuyển tiếp P-N có hình dạng như Hình (a). Tuy nhiên, để tiện phân tích ta mô hình hóa nó thành Hình (b) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 18 / 95
Mô hình hóa chuyển tiếp P-N Trong cấu trúc, có 2 loại chuyển tiếp là P-N và chuyển tiếp M-S Chuyển tiếp M-S (tiếp xúc Ohmic): đóng vai trò để lấy điện. Chuyển tiếp thể hiện điện trở R ≈ 0 tức là khi có dòng điện đi qua bất kỳ sẽ không tạo rơi áp. Ta bỏ qua khi phân tích Chuyển tiếp P-N (tiếp xúc chỉnh lưu): đây là chuyển tiếp mang tính chất chính và là đặc trưng của các linh kiện. Chuyển tiếp P-N có tính chất đặc trưng là chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều cụ thể (từ P sang N) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 19 / 95
Mô hình hóa chuyển tiếp P-N Nhờ tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện đi qua theo chiều từ P sang N, mà diode được dùng chính trong các mạch chỉnh lưu (mạch biến đổi dòng diện AC thành DC) Dưới đây là một số hình vẽ thường dùng để phân tích chuyển tiếp P-N. Hình (c) là mô hình 2D của hình (b) và Hình (d) thường được sử dụng trong các mạch điện HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 20 / 95