Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction)

hế Vbi
32
33
4.4 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)
34
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/s (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
35
Đặc tuyến điện dung-điện áp 
• Phân cực ngược
– Điện dung chuyển tiếp
• Phân cực thuận
– Điện dung khuếch tán
» Từ hạt dẫn chuyển động
– Điện dung chuyển tiếp
• Với chuyển tiếp bước 1 bên
• 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
36
37
(f) Điện dung lớp nghèo (Depletion layer capacitance):
Xét chuyển tiếp p+n, hay chuyển tiếp 1 bên, sẽ có W:
Điện dung miền nghèo được tính bằng:
 
D
bis
qN
VVk
W
02 
0
2
0 )(21
)(2 



sD
bi
bi
sDDc
kqN
VV
CVV
kqN
dV
dWqN
dV
dQ
C


VVbi 
V
21 C
DN
slope
1

Phân cực thuậnPhân cực ngược
Thiết lập đo lường:
W
dW
~
V
vac
38
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)
39
Diode biến dung
(Varactor=Varicap)
Sử dụng tính chất điện dung miền nghèo 
thay đổi theo điện áp phân cực ngược:
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
với
40
4.5 Đặc tuyến dòng-áp
• Khi đưa điện áp vào chuyển tiếp p-n nó sẽ phá sự cân bằng 
chính xác giữa dòng điện khuếch tán và dòng điện trôi của điện 
tử và lỗ:
– Với phân cực thuận, điện áp đưa vào làm giảm thế tĩnh điện trên 
miền nghèo (xem phần giữa hình 16a). Dòng điện trôi bị giảm so 
với dòng điện khuếch tán. Ta có sự khuếch tán mạnh hơn của lỗ 
từ bên P sang N và của điện tử từ bên N sang P. Do đó sự bơm 
hạt dẫn thiểu số xảy ra (minority carrier injection), nghĩa là, điện 
tử được bơm vào bên P, trái lại lỗ được bơm vào bên N.
– Với phân cực ngược, điện áp đưa vào làm tăng thế tĩnh điện trên 
miền nghèo (xem phần giữa hình 16b). Điều này làm giảm đáng 
kể dòng điện khuếch tán, dẫn đến kết quả là có dòng điện ngược 
nhỏ.
• Trong phần này, trước hết ta xét đặc tuyến dòng-áp lý tưởng 
(ideal current-voltage characteristics) và sau đó từ các xét ảnh 
hưởng do sự sinh và tái hợp và do các hiệu ứng khác. 
41
Hình 16. 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
42
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:
CE
VE
FnE
qV
FpE
W
 
 
 Tnnn
Tppp
Ti
VVpxp
VVnxn
VVnnp
/exp)(
/exp)(
/exp
0
0
2



px nx
4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng
43
(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:
npT
pnT
LxxVV
pp
LxxVV
nn
eenxn
eepxp
/)(/
0
/)(/
0
)1()(
)1()(




)( xn p )( xpn
0np
0pn
px nx
x
Phân cực thuận
Phân cực ngược
Miền điện tích 
không gian W
Với Lp là chiều dài khuếch tán của lỗ trong miền N có trị là sqrt(Dpp). 
p pD 
44
• Tương ứng với những mật độ dòng khuếch tán:
npT
pnT
LxxVV
n
pndiff
n
LxxVV
p
npdiff
p
ee
L
nqD
xJ
ee
L
pqD
xJ
/)(/0
/)(/0
)1()(
)1()(




px nx
x
diff
pJ minoritydiffnJ minority
)()( p
diff
nn
diff
ptot xJxJJ 
Không có tái hợp trong miền SCR
drift
n
diff
n JJ  majority 
drift
p
diff
p JJ majority
totJ
Mô hình Shockley
45
Phân bố của 
hạt dẫn thiểu số 
được bơm vào
Mật độ dòng 
điện tử và 
lỗ [lý tưởng]
(J = I/A)
Phân cực thuận Phân cực ngược
46
(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:
• Dòng bão hòa ngược (Reverse saturation current) IS:
 1
)()(
/00 









TVV
n
pn
p
np
p
diff
nn
diff
ptot
e
L
nD
L
pD
qA
xIxII

















An
n
Dp
p
i
n
pn
p
np
s NL
D
NL
D
qAn
L
nD
L
pD
qAI 200
I
V
Ge Si GaAs
47
Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng
(a) Đồ thị tuyến tính
(b) Đồ thị semilog
48
(d) Nguồn gốc của dòng điện:
CE
VE
FnE
qV
FpE
W
Phân cực thuận
CE
VE
FnE
qV
FpE
W
Phân cực ngược
 VVq bi   VVq bi 
Dòng bão hòa ngược là do
các hạt dẫn thiểu số bị thu
thập qua khoảng cách cỡ
chiều dài khuếch tán.
Ln
Lp
49
(e) Dòng điện hạt dẫn đa số:
• Xét một diode được phân cực thuận dưới các điều kiện bơm mức thấp 
:
• Dòng lỗ tổng cộng trong miền tựa trung hòa (quasi-neutra regions):
)(xpn
0np
nx
x
0nn
)(xnn

Tính tựa trung hòa cần:
Điều này dẫn đến:
)()( xpxn nn 
)()( xJ
D
D
xJ diffp
p
ndiff
n 
)()()()( xJxJxJxJ diffp
drift
p
diff
p
tot
p 
50
• Dòng trôi điện tử trong miền tựa trung hòa:
)(
)(
1
)(),(1)( xJ
xqn
xExJ
D
D
JxJ diffn
n
diff
p
p
n
tot
diff
n 








 
x
)(xJ diffp
)(xJ diffn
)(xJ driftn
)()()( xJxJxJ driftn
diff
n
tot
n 
totJ
)()( xJxJ diffp
diff
n 
51
(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.
 Đánh thủng chuyển tiếp xúc ở những phân cực ngược cao do hiệu 
ứng đường hầm và ion hóa va chạm.
52
4.5.2 Những hiệu ứng sinh-tái hợp 
và sự bơm [vào] mức cao
53
Những tính chất không lý tưởng trong chuyển tiếp PN:
(A) Những dòng điện sinh và tái hợp
 Phương trình liên tục của lỗ:
 Trạng thái xác lập và quá trinh 
 không có ánh sáng: 
• [Mật độ] Dòng tái hợp tại SCR :
scrJ
pp
p RG
x
J
qt
p





 1
0,0  pGtp 

 


n
p
n
p
n
p
x
x
pscr
x
x
pppnp
x
x
p
dxRqJ
dxRqxJxJxdJ )()()(
54
Các điều kiện phân cực ngược:
• Nồng độ n và p có thể được bỏ qua trong miền nghèo: 
• Dòng SCR thực ra là dòng sinh:
• Dòng bão hòa ngược tổng cộng:





 





 






Tk
EE
Tk
EEn
pn
n
R
B
ti
n
B
it
pg
g
i
np
i expexp,
11
2
Thời gian sống để sinh hạt dẫn
VV
Wqn
J
Wqn
JJ bi
g
i
gen
g
i
genscr 



   gensVVscrVVs JJJeJJ TT   1
/
55
• Dòng sinh thắng thế khi ni nhỏ, đây là trường hợp thường thấy trong 
các diode Si và GaAs.
I (log-scale)
V (log-scale)
sAJ
genAJ
CE
VE
FnE
FpE
W
Đặc tuyến I-V dưới 
điều kiện phân cực ngược
Các hạt dẫn sinh ra bị 
quét ra khỏi miền nghèo
56
Các điều kiện phân cực thuận:
• Nồng độ n và p lớn trong miền nghèo:
• Điều kiện để tốc độ tái hợp cưc đại:
• Ước lượng dòng tái hợp:
 
   11
/2
/2 1
ppnn
en
Rennp
np
VV
iVV
i
T
T



nprec
VV
rec
i
np
VV
i
VV
i
T
T
T
e
n
pn
en
R
enpn






 ,2/
/2
max
2/
TVV
rec
i
scr e
Wqn
J 2/max


Thời gian sống tái hợp
57
• Biểu thức chính xác cho dòng tái hợp:
• Các sửa đổi với mô hình:
• Dòng thuận tổng cộng:
  hệ số lý tưởng (ideality factor). Những sai biệt của  với 1 cho 
biết dòng tái hợp.
 
0
2/ 2,
1
2
,








s
binD
np
np
T
VV
rec
i
scr k
VVqN
E
E
Ve
qn
J T 
TrVmV
rec
i
scr e
qn
J
/



   11 /,// 

  TTrT VVeffs
VmV
rec
iVV
s eJe
qn
eJJ
58
• 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)
V
dAJ
scrAJ
AJ
• 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.
59
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.
60
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 
so sánh vối nồng độ hạt dẫn đa số, nghĩa là 
Đây là điều kiện bơm cao
61
Điện trở nối tiếp RS
At higher current level, the effect of series resistance kicks in
Needs a larger applied voltage to achieve the same level of current
 Miền 
nghèo
62
Ảnh hưởng của điện trở nối tiếp
63
Đặc tuyến semilog của dòng điện diode ở phân cực thuận