Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction)

Chia sẻ: Le Hải Hậu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

789
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là sự chỉnh lưu 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction)

9/29/2010 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 Nội dung chương 4 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 2 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 ND  NA ND  N A ax bên p bên n bên p bên n Chuyển tiếp bước Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính (Step or abrupt junction) (Linearly-graded junction) 4 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) Evac = mức năng lượng chân không 6 3
9/29/2010 Sự tạo thành chuyển tiếp PN (2/2) 7 4.2 Điều kiện cân bằng nhiệt 8 4
9/29/2010 Điều kiện cân bằng nhiệt (1) • Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là sự chỉnh lưu 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. • 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 9 số dụng cụ khác. Điều kiện cân bằng nhiệt (2) Đặc tuyến dòng-áp của 1 chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu. 10 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) P N 12 6
9/29/2010 Giản đồ dải năng lượng (Band diagram) • Mức Fermi • Để lại – Gần dải dẫn ( loại N) – Ion donor dương (ND+), bên phải – Gần dải hóa trị (loại P) – Ion acceptor âm (NA-), trái • Gắn lại với nhau • Tạo nên điện trường  – Điện tử được khuếch tán  • Tạo nên điện thế. – Lỗ khuếch tán  • Miền điện tích không gian 13 Mức Fermi cân bằng (Equilibrium Fermi level) Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất bằng zero. 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 7
9/29/2010 (A) Chuyển tiếp bước ở cân bằng nhiệt: EC (a) Điện áp nội (Built-in voltage) Vbi: qVbi Ei (còn gọi là thế nội B) EF EV qVbi   Ei  E F  p  E F  Ei n bên p bên n W nn 0  ni exp EF  Ei  k BT  (x) p p 0  ni expEi  E F k BT  qND + k T  p p 0 nn 0      VT ln N A N D  -qNA - x Vbi  B ln q  n 2   n 2   i   i  V (x) Vbi E (x) x (b) Quan hệ giữa hạt dẫn đa số - thiểu số:  xp xn pn 0  p p 0 exp Vbi / VT  Emax x n p 0  nn 0 exp Vbi / VT  15 (c) Bề rộng miền nghèo (Depletion region width):  Giải phương trình Poisson bậc nhất dùng xấp xỉ miền nghèo, với các điều kiện biên sau: V ( x p )  0, V ( xn )  Vbi , E (  xp )  E ( xn )  0 bên p: qN A 2 V p ( x)  2 S  x  xp  bên n: qN 2 Vn ( x)   D  xn  x   Vbi 2 S  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: xn  x p  W  2 S ( N A  N D )Vbi V p (0)  Vn (0)   W   qN A N D N A x p  N D xn    S = hằng số điện môi của bán dẫn 16 8
9/29/2010 (d) Điện trường cực đại: Điện trường cực đại, sẽ xảy ra ở chuyển tiếp luyện kim, được cho bởi: dV qN A N DW Emax    dx x 0  S (N A  ND ) (e) Sự thay đổi nồng độ hạt dẫn: 15 10 N A  N D  1015 cm3 Concentration [cm ] -3 13 10 Wcalc  1.23 m 11 10 n [cm ] -3 Emax( DC )  9.36 kV / cm -3 9 p [cm ] 10 Emax( sim )  8.93 kV / cm 7 10 5 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] 17 15 10 0 Electric field [kV/cm] 14 -2 (x)/q [cm ] 5x10 -3 -4 0 -6 14 -5x10 -8 15 -10 -10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] Distance [m] 18 9
9/29/2010 17 10 10 Electric field [kV/cm] 0 16 5x10 -10 (x)/q [cm-3] -20 0 -30 -40 16 -5x10 -50 -60 17 -10 -70 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Distance [m] Distance [m] 19 (B) Equilibrium analysis of linearly-graded junction: 1/ 3 12k  V  V  (a) Depletion layer width: W   s 0 bi   qa  qaW 2 (c) Maximum electric field: Emax   8k s  0 2 2 1/ 3  qak s 0  (d) Depletion layer capacitance: C  12Vbi  V  Based on accurate numerical simulations, the depletion layer capacitance can be more accurately calculated if Vbi is replaced by the gradient voltage Vg: 2  a 2k s  0VT  Vg  VT ln  3  3  8qni  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) với miền miền P miền N trung hòa nghèo trung hòa với với Với 23 Điện trường cực đại Em Bề rộng miền nghèo W Chuyển tiếp bước 1 bên (One-sided abrupt junction)  nghĩa là Trường giảm xuống zero tại x=W, do đó Với NB là nồng độ khối được pha tạp chất ít (nghĩa là ND với chuyển tiếp p+-n) 24 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  Với V là điện áp đặt vào diode: • phân cực thuận V = VF > 0 • phân cực ngược V = -VR < 0 25 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 Định nghĩa: CJ là điện dung trên đơn vị diện tích [mặt cắt ngang] • 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 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 • Đồ thị của 1/Cj2 theo V là đường thẳng, Độ dốc của đường thẳng này cho biết nồng độ tạp chất NB của miền nền • Phần giao (tại 1/Cj2 =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: 2k s  0 Vbi  V  W qN D  Điện dung miền nghèo được tính bằng: dQc qN D dW qN D k s  0 1 2(Vbi  V ) C    2 dV dV 2(Vbi  V ) C qN D k s  0 1 C2 Thiết lập đo lường: 1 slope  ND W dW Phân cực ngược Phân cực thuận vac ~ V V Vbi  V 33 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 Như vậy ta có thể đo điện dung trên diện tích đơn vị với điện áp phân cực ngược và vẽ 1/Cj2 theo V. Độ dốc của đồ thị = d(1/Cj2 )/dV, cho nồng 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 Phân bố hạt dẫn Phân cực thuận Phân cực ngược 37 4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng 38 19
9/29/2010 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng: Giả sử: • Xấp xỉ miền nghèo bước; bên ngoài miền nghèo giả sử trung hòa 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) (a) Miền nghèo: W EC qV E Fn E Fp EV  xp xn 39 (b) Những miền [tựa] trung hòa (Quasi-neutral regions): • 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: V / VT  ( x  xn ) / L p pn ( x )  pn 0 ( e  1)e V / VT ( x  x p ) / Ln n p ( x )  n p 0 ( e  1)e n p ( x) pn ( x ) Miền điện tích Phân cực thuận không gian W pn 0 n p0 x  xp xn Phân cực ngược 40 20