Cấu kiện điện tử - vật liệu điện tử - Dư Quang Bình - 2 pdf

Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, có sự cân bằng động giữa dòng trôi và dòng Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

cm 10 0

) 10 )(10 10

(1,6

)(0,748V) 10

1/2 15 16 19

12

−

−

−

×

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

×

×

x

cm 10

D

A

p

n

−

×

=

N

N

x

Từ phương trình (2.14), có thể có ba loại tiếp giáp pn được chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau,

với mật độ điện tích biểu diễn như ở hình 2.5:

D

1/2 D

J s d0 n0 p0

D A

1 q

2

N N

x x x

N

⎦

⎤

⎢

⎣

≈

≈

<<

⇒

D 1/2

s

D J 0

2q

N

N

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡ ε

φ

Phía bán dẫn được pha tạp loãng sẽ quyết định các đặc tính tĩnh điện của tiếp giáp pn

Giá trị thế tiếp xúc tồn tại khi có tiếp giáp pn như đã xét ở trên, nhưng trong thực tế không thể

đo được bằng voltmeter do các thành phần thế tiếp xúc tại các tiếp giáp bán dẫn - kim loại Các

tiếp xúc bán dẫn - kim loại là các tiếp giáp của các vật liệu không đồng nhất, nên sẽ có các thành

qua cấu trúc của diode phải bằng 0, nên trong thực tế không thể đo được thành phần thế tiếp giáp

B

φ trên hai đầu của diode bằng voltmeter !

mp mn

B =φ +φ

φ (2.19)

2.2 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI PHÂN CỰC

Trong các mạch điện tử, phân cực là đặt cưỡng bức nguồn một chiều (dc) lên cấu kiện bán dẫn

bằng nguồn ngoài (VD) Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn nối về phía anode và đầu

âm nối về phía cathode của diode thì gọi là phân cực thuận, (tức VD > 0), nếu đảo ngược nguồn

áp thì gọi là phân cực nghịch (VD < 0) Hình 2.7, cho thấy mạch của diode tiếp giáp pn khi được

phân cực thuận

Với sụt áp ở các vùng trung hoà và tiếp giáp kim loại bán dẫn không đáng kể, điện áp VD sẽ tạo

ra điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích không gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc nếu được phân cực thuận, nên sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu quả Điện thế tiếp xúc sẽ giảm xuống (hình 2.8)

Tương tự đối với trường hợp phân cực ngược hiệu thế tiếp xúc sẽ tăng lên Vậy chênh lệch thế hiệu qua tiếp giáp (còn gọi là rào thế [potential "barrier"]) sẽ là:

- Ở trạng thái phân cực ngược: φB−VD >φB (vçVD<0)

Các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo của tiếp giáp pn ở trạng thái phân cực có thể mô tả như

ở hình 2.9

lại Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo

d

x tăng lên

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Hai vùng điện tích của vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh thế hiệu đặt trên tiếp giáp Vì vậy, các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo khi phân cực tương tự như các đặc trưng tĩnh điện của

Suy ra:

1/2 D D A

A D B s D

n

) q(

) (

2 )

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

− φ ε

=

N N N

N V V

1/2 A D A

D D B s D

p

) q(

) (

2 )

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

− φ ε

=

N N N

N V V

1/2 D

A

D A D B s D

d

q

) )(

( 2 )

⎦

⎤

⎢

⎣

=

N N

N N V V

1/2 D

A s

D A D B D

) (

) 2q(

)

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+ ε

− φ

=

N N

N N V V

Hoặc có thể viết dưới dạng:

B

D n0

D

φ

−

V

B

D p0

D

φ

−

V

B

D d0

D

φ

−

V

D 0

(

φ

−

V

Ở tiếp giáp pn bất đối xứng lớn, nghĩa là được pha tạp với nồng độ ở hai phía tiếp giáp lớn, ví

dụ NA >> ND, xấp xỉ các biểu thức của độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn n, xn; độ rộng vùng

thấy rằng tất cả các thay đổi xảy ra ở phía pha tạp thấp nhất (hình 2.10)

2.3 PHƯƠNG TRÌNH DIODE VÀ ĐẶC TUYẾN I - V CỦA DIODE.

Như đã xét ở trên, bằng việc áp đặt điện áp phân cực cho tiếp giáp pn làm cho vùng nghèo sẽ

rộng ra hay co hẹp lại, và cho dòng điện chỉnh lưu, ngoài ra cũng có sự lưu trữ điện tích của hạt tải điện

Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, có sự cân bằng động giữa dòng trôi và dòng

Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân cực

Dòng khuyếch tán thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện "thiểu số" phóng thích vào hai vùng trung hoà, nên có sự vượt trội nồng độ hạt tải điện thiểu số ở hai vùng trung hoà Vậy một lượng lớn hạt tải điện đa số khuyếch tán vào hai vùng trung hoà có thể tạo ra dòng điện lớn chảy qua tiếp giáp

Dòng trôi thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện thiểu số bị rút ra khỏi hai vùng trung hoà, nên có sự sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số trong hai vùng trung hoà Có rất ít hạt tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà nên chi cho một dòng điện nhỏ

khuyếch tán qua vùng trung hoà, tạo ra sự tái hợp tại bề mặt bán dẫn Khi phân cực ngược, các

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

hạt tải điện thiểu số rút ra khỏi vùng nghèo, tạo ra sự tái sinh tại bề mặt và khuyếch tán qua vùng trung hồ.Vậy khi phân cực thuận sẽ cĩ dịng điên lớn do khuyếch tán các hạt tải điện đa số; cịn khi phân cực ngược sẽ cĩ dịng trơi nhỏ do các hạt tải điện thiểu số như thể hiện ở hình 2.13

Để cĩ độ lớn của dịng điện chảy qua diode, cần phải tính nồng độ các hạt tải điện thiểu số tại

p

n I

I

I= +

điện tử và lỗ trống tại hai biên của vùng nghèo ở trạng thái phân cực, tức trạng thái tương ứng với Jträi ≠ Jkh. tạn :

kT

) q(

exp kT

)]

x ( -(x q[

exp ) x (

)

p

n

−

và tỷ số nồng độ lỗ trống tại hai biên vùng nghèo khi phân cực cho tiếp giáp:

kT

) q(

exp kT

)]

x ( -(x q[

exp ) x (

)

p

p

− Nhưng nồng độ điện tử và lỗ trống ngay tại hai biên xấp xỉ bằng nồng độ pha tạp, được gọi là

kT

) q(

exp )

x

N

và:

kT

) q(

exp )

N

Với giá trị thế tiếp xúc là:

2 i

A D B

n

ln q

= φ

của vùng nghèo là:

kT

q exp

n ) x

A

2 i p

V N

và:

kT

q exp

n )

D

2 i n

V N

Vậy nồng độ hạt tải điện thiểu số khuyếch tán ngay tại hai biên của vùng nghèo tuỳ thuộc vào điện áp phân cực, tức là:

A

2 i p

n ) x (

N

D

2 i n

n ) (x

N

như đã biết ở trên

A

2 i p

n ) x (

N

D

2 i n

n ) (x

N

Có một số lượng lớn các hạt tải điện được phóng thích: Vậy khi điện áp phân cực tăng lên sẽ cho nồng độ hạt tải điện phóng thích lớn, nên dòng thuận lớn

A

2 i p

n ) x (

N

D

2 i n

n ) (x

N

Có rất ít hạt tải điện trích ra khỏi vùng nghèo, cho dòng ngược nhỏ Do có sự giới hạn độ sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số thấp, nên khi phân cực ngược, có dòng ngược chảy qua tiếp giáp rất bé, gần bằng 0, nên có sự bão hoà ở dòng ngược

hạt tải điện thiểu số tại hai biên của vùng nghèo

Tiếp theo là cần phải xác định dòng khuyếch tán của các hạt tải điện trong hai vùng trung hoà

như được biểu diễn ở hình 2.14

A

2 i 0 p

n )

W (

N n x

kT

q exp

n ) x

A

2 i p

V N

) x ( W x

-) (-W -x (-) x (-)

p p

p p p p p p

+ +

x

Mật độ dòng điện tử:

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

p p

A

2 i D A

2 i

n p

p

p p p p n n

n

x W

n kT

q exp n qD x

W

) W ( ) x ( qD qD

−

−

=

−

−

−

−

=

V N

n n

dx

dn

1) kT

q (exp x W

D n

p p

n A

2 i

−

×

N

Mật độ dòng lỗ trống:

1) kT

q (exp x W

D n

n n

p D

2 i

−

×

N

Tổng cả hai thành phần dòng điện tử và lỗ trống khuyếch tán trong vùng trung hoà sẽ là,

1) kT

q (exp x

W

D 1

x W

D 1

n n

p D

p p

n A

2 i p

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

× +

−

×

= +

N N

J J

1) kT

q (exp x

W

D 1

x W

D 1

n

n n

p D

p p

n A

2 i

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

× +

−

×

N N

A

Dòng diode thường được viết dưới dạng phương trình diode:

1) V (exp I 1) kT

q (exp I

T

D S

D S

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

× +

−

×

=

n n p D

p p n A

2 i S

x W

D 1

x W

D 1

q

N N

An

gọi là dòng bão hoà ngược

vùng trung hoà Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và tái hợp tại bề mặt của vùng trung hoà Do được cung cấp số lượng hạt tải điện lớn cho sự phóng thích nên sẽ tạo ra dòng điện lớn tỷ lệ theo mức hàm mũ điện áp đặt vào:

kT

q

D

V

I ∝

hoà Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và phát sinh tại bề mặt của vùng trung hoà Do được cung cấp số lượng hạt tải điện rất ít cho sự rút tỉa nên sẽ tạo ra dòng điện có giá trị bão hoà nhỏ

Từ phương trình diode (2.37), ta nhận thấy rằng:

- Dòng diode tỷ lệ với nồng độ hạt tải điện thiểu số vượt trội tại hai biên của vùng điện tích

kT

q (exp

N

kT

q exp

D

V N

hạt tải điện được phóng thích nên sẽ cho dòng điện lớn hơn chảy qua diode Ở chế độ phân cực ngược:

N I

2 i D

n

−

điện sẽ bão hoà

dòng điện lớn hơn

- Dòng diode tỷ lệ nghịch với độ rộng vùng trung hoà

QNR D

W

1

∝

tán qua vùng trung hoà ngắn hơn sẽ cho dòng diode lớn hơn

- Dòng diode cũng tỷ lệ với tiết diện của diode:ID∝A tức là diode có tiết diện lớn hơn sẽ cho dòng chảy qua diode lớn hơn

tổng phải vẫn không đổi Phương trình diode thường được hiệu chỉnh dưới dạng:

1) (exp

T

D S

nV

V I

dòng cao Tại các mức dòng diode vừa phải thì

2

trong khoảng từ 1,0 đến 1,1

(300oK), dòng ID phụ thuộc giá trị VD dương trên

âm hơn - 50mV, dòng diode sẽ được bão hoà tại

phương trình diode sẽ trở nên không hợp lý tại giá

trị VD âm đáng kể, khi đó dòng diode sẽ tăng mạnh

do đánh thủng điện áp

2.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DIODE BÁN DẪN

a) Điện trở động của diode

Giữa nồng độ hạt tải điện và thế hiệu đặt vào có quan hệ theo hàm mũ, nên có thể viết biểu thức đơn theo sự phân bố nồng độ và tính toán cho cả hai trạng thái phân cực thuận và ngược Biểu thức sẽ đúng với điều kiện điện áp không vượt quá mức điện áp đánh thủng Quan hệ trong trường hợp tổng quát cần phải được thể hiện theo phương trình (2.41)

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

S

qv I

với: VT = kT/q, suy ra:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

T

D S

D

nV

v I

đầu trong ngoặc sẽ vượt trội, nên dòng tính được gần đúng là,

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

≈

T

D S

nV

v I

Phương trình có đặc tuyến theo hình 2.17

Như đã xét ở trên, mức dòng bảo hòa ngược IS tùy thuộc vào sự pha tạp, kích thước hình học của diode, và nhiệt độ Hằng số thực nghiệm n có thể khác nhau tùy theo các mức dòng và áp và phụ

thuộc vào sự khuyếch tán, độ trôi của điện tử, và sự tái hợp của hạt tải điện trong vùng nghèo

Hằng số n sẽ đạt bằng 2 khi số lượng tái hợp điện tử - lỗ trống trong vùng nghèo tăng lên

Để tính mức dòng và áp tại điểm làm việc Q, căn cứ vào độ dốc của đặc tuyến ở hình 2.17, thay

đổi theo độ biến thiên của dòng tuân theo quan hệ hàm mũ

Có thể vi phân biểu thức của phương trình (2.42) để tính độ dốc tại mức dòng iD cố định bất kỳ

Độ dốc là độ dẫn điện tương đương của cấu kiện

T

T D S D

nV

nV v I

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

Từ phương trình diode cơ bản (2.42), ta có:

1 exp

S

D T

D ⎟⎟= +

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

I

i nV v

Thay vào phương trình độ dẫn điện (2.44), ta nhận được:

T

S D D

D

nV

I i dv

di = + (2.45) Điện trở động là nghịch đảo của độ dẫn điện (2.45), hay:

D

T S D

T d

i

nV I i

nV

+

vì IS << iD Mặc dù biết rằng rd thay đổi khi iD thay đổi, nhưng ta thường cho rd cố định trong khoảng làm việc quy định, tức là ta chọn một trị số trong dãi các điện trở biến thiên (tức có thể

b) Điện áp ngưỡng

Hình 2.18, là các đặc tuyến mô tả nguyên lý hoạt động của diode silicon và germanium thông

Khi thang đo dòng được chọn phù hợp với dòng làm việc lớn nhất, thì mỗi diode có một mức

nhỏ hơn 1% giá trị dòng định mức của diode Điện áp ngưỡng này còn gọi là điện áp dịch Vì

0,3V, khi so sánh với điện áp dịch của diode silicon vào khoảng 0,6V - 0,7V Trong nhiều ứng dụng thông thường, diode có thể được xem là ngưng dẫn [OFF] tại các giá trị điện áp thấp hơn điện áp ngưỡng

Khi điện áp thuận tăng dần khỏi mức 0, dòng điện sẽ không bắt đầu chảy ngay, mà lấy theo mức

diode bán dẫn silicon (tại nhiệt độ phòng), và khoảng 0,2V đối với diode bán dẫn germanium Khi diode được phân cực ngược, sẽ có dòng điện rò nhỏ trong khoảng điện áp ngược thấp hơn

so với điện áp cần để đánh thủng tiếp giáp Dòng rò của diode germanium lớn hơn nhiều so với diode silicon hay diode gallium arsenide Nếu mức điện áp âm trở nên đủ lớn ở vùng đánh thủng, thì một diode thông thường có thể bị phá hũy Điện áp đánh thủng được quy định như

điện áp ngược đỉnh – PIV [peak inverse voltge] trong các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

Hư hỏng ở các diode thông dụng tại mức điện áp đánh thủng là do sự tăng nhanh của dòng điện

tử chảy qua tiếp giáp dẫn đến quá nhiệt ở diode Mức dòng lớn có thể làm hỏng diode nếu tích tụ

nhiệt vượt quá mức cho phép Đánh thủng do nhiệt đôi khi cũng được xem như điện áp đánh

c) Dòng ngược của các loại diode khác nhau

Như đã nói ở trên, từ phương trình diode (2.38) ta thấy rằng: dòng bão hoà ngược phụ thuộc vào tiết diện của tiếp giáp, các hệ số khuyếch tán của hạt tải điện thiểu số, nồng độ của các hạt tải điện thiểu số ở điều kiện cân bằng, và độ dài của các vùng trung hoà hay quãng đường khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số, mà các thông số đó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức pha

vào khoảng cỡ nA đối với các diode Silicon Nhiều diode có dòng ngược biểu hiện tăng theo điện áp ngược không tuân theo phương trình diode, vì do dòng rò qua tiếp giáp tại bề mặt của chất bán dẫn và do khi khảo sát phương trình diode ta đã bỏ qua sự phát sinh cặp điện tử - lỗ trống do năng lượng nhiệt trong vùng điện tích không gian Đối với các tiếp giáp silicon khi được phân cực ngược thì dòng ngược không tăng do dòng điện phát sinh do nhiệt là thành phần chủ yếu của dòng bão hoà ở nhiệt độ phòng rất thấp Vì vậy, dòng ngược ít phụ thuộc vào điện

áp ngược do vùng nghèo trở nên dày hơn tại các giá trị điện áp ngược cao hơn

d) Các ảnh hưởng do nhiệt độ và hệ số nhiệt độ của diode

Nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định các đặc tính làm việc của các diode Các thay đổi về đặc tính của diode gây ra do nhiệt độ thay đổi có thể cần phải điều chỉnh về thiết kế và hoàn thiện các mạch Hệ số nhiệt độ đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng cần phải được lưu ý

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

≅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

S

D S

D S

D T

I

i q

kT I

i q

kT I

i V

Vi phân theo nhiệt độ ta có:

T

V V v dT

dI I

V T

v dT

dI I q

kT I

i q

k dT

S T D S S S

D

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

trong đó ta cho rằng: iD >>IS và I S ∝ 2

i

n , vD là điện áp sụt trên diode; VGO là điện áp tương

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

1,82mV/K 300K

0,075)V 1,12

(0,65

dT

Vậy, tại nhiệt độ phòng điện áp thuận của diode biểu hiện hệ số nhiệt độ âm gần bằng -1,82

C

D

I dT

dV

(2.48)

Bằng thực nghiệm, cũng có thể thấy rỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên các đặc tuyến của một diode Silicon như ở hình 2.19

Nhiệt độ cũng làm tăng mức dòng bảo hòa ngược vì dòng bão hoà ngược biến thiên theo nồng

i

n , mà n là một hàm của nhiệt độ i2

suất và mức dòng Thậm chí, ta cũng có kết quả tương tự khi diode làm việc ở nhiệt độ cao thì

diode Ge, đây là lý do rất quan trọng khiến cho các diode bằng bán dẫn Si được sử dụng nhiều hơn trong thiết kế chế tạo mạch điện tử

Về cơ bản thì sự tương đương như một mạch hở ở vùng phân cực ngược, khi làm việc tại nhiệt

này giải thích cho việc các mức điện áp ngưỡng thấp hơn Ở vùng phân cực ngược, điện áp đánh thủng cũng tùy thuộc vào nhiệt độ, nhưng lưu ý là dòng bão hòa ngược không mong muốn cũng

hòa ngược phụ thuộc vào nhiệt độ là,

)]

( )exp[

( )

cách rút gọn hàm mũ,

)/10 ( 1 0 2

S(T ) I (T)2T2 T1

bởi vì e ,7≈2

Khi mức điện áp phân cực thuận trên diode không đổi, thì ID cũng sẽ tăng gấp đôi trong khoảng

về Vγ, như chỉ rõ ở hình 2.19, trong đó Vγ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuân theo phương trình sau: (giả sử dòng chảy qua diode được giữ không đổi)

) ( ) ( )

của kT là khác nhau tùy theo loại diode, đối với diode Ge có kT = - 2,5 mV/ oC, diode Si có kT = -

e) Mô hình mạch tương đương của diode

Mạch ở hình 2.20a, tương ứng với mô hình đơn giản của diode silicon ở cả trạng thái làm việc

dc thuận và ngược Đặc tuyến của mô hình gần như đặc tuyến hoạt động của diode ở hình 2.18

phân cực thuận, diode lý tưởng là một ngắn mạch, hay điện trở bằng 0 Điện trở mạch của diode thực tế khi phân cực thuận được mô hình hóa ở hình 2.20a, là điện trở đầu cực của diode lý tưởng được ngắn mạch, hay:

f f

r R R

Ở trạng thái phân cực ngược, diode lý tưởng có điện trở lớn vô cùng (mạch hở) còn điện trở

thuận khi điện áp đầu cực vượt quá 0,7V

giáp, xuất hiện do vùng nghèo như một tụ điện Hình 2.20c, là mạch tương đương của diode

khuyếch tán liên quan đến sự di chuyển của các hạt tải điện dẫn đến trạng thái có thể so với sự lưu trữ điện tích Do vậy, hệ quả của sự khuyếch tán bao gồm các ảnh hưởng của điện dung

f) Phân tích mạch diode

Từ các nội dung trên, ta đã có thông tin cơ bản cần thiết để phân tích các mạch có diode Giả sử cho một mạch gồm các cấu kiện tuyến tính thụ động, các nguồn cung cấp và các diode, cần phải tính mức dòng và áp liên quan Bài toán cũng có thể giải quyết ở phòng thí nghiệm điện tử, chọn các cấu kiện thích hợp và nối dây cho mạch, đo các mức dòng và áp bằng các đồng hồ đo / hoặc máy hiện sóng Dĩ nhiên là các điều kiện của phòng thí nghiệm phải đáp ứng phù hợp các điều kiện của bài toán đã cho Trong thực tế, có thể có các quy trình đo chính xác các đại lượng mà