Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 3) - Hồ Trung Mỹ
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 khác
11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 3) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 3) - Hồ Trung Mỹ
1Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn 2Nội 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 khác 11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn 34.10 Các diode bán dẫn khác • Diode chỉnh lưu (rectifier) • Diode ổn áp • Diode biến dung • Diode phát quang (LED) • Diode quang (Photodiode=PD) • Diode Schottky • Diode Tunnel (đường hầm) • . . . 4Các ký hiệu diode (diode thường) (diode ổn áp) (diode Schottky) (diode đánh thủng 2 chiều) (diode biến dung = varactor) (diode phát quang) 54.10.1 Diode chỉnh lưu (Rectifier) • Diode chỉnh lưu là dụng cụ 2 cực cho điện trở rất thấp với dòng điện theo 1 chiều và điện trở rất cao ở chiều ngược lại. nghĩa là cho chỉ 1 cho phép dòng điện chạy theo 1 chiều (đặc tính chỉnh lưu). • Điện trở thuận và ngược của diode chỉnh lưu có thể được suy từ quan hệ dòng-áp của diode thật: • Với I0 là dòng bão hòa ngược và là hệ số lý tưởng, tổng quát có giá trị từ 1 (với dòng khuếch tán) đến 2 (với dòng tái hợp) 6Điện trở thuận và ngược • Điện trở thuận DC (hay tĩnh) RF và điện trở tín hiệu nhỏ (hay động) rF: • Điện trở ngược DC RR và điện trở ngược tín hiệu nhỏ rR: 7• Các diode PN chỉnh lưu về tổng quát có tốc độ chuyển mạch chậm; nghĩa là nó cần thời gian trì hoãn để có được tổng trở cao sau khi chuyển mạch từ trạng thái dẫn thuận sang trạng thái tắt. Trì hoãn này tỉ lệ với thời gian sống của hạt dẫn thiểu số, với tần số thấp thì nó không ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên ở những ứng dụng tần số cao nó ảnh hưởng đến hiệu suất chỉnh lưu. • Phần lớn các diode chỉnh lưu có tiêu tán công suất từ 0.1W đến 10W, điện áp đánh thủng từ 50 đến 2500V(với các diode chỉnh lưu cao áp, người ta mắc nối tiếp từ 2 chuyển tiếp P-N trở lên), và thời gian chuyển mạch từ 50ns (với diode công suất thấp) đến khoảng 500ns (với diode công suất cao) . • Diode chỉnh lưu có nhiều ứng dụng: – Biến đổi tín hiệu AC thành dạng sóng đặc biệt. TD: chỉnh lưu bán kỳ, toàn sóng, mạch xén, mạch kẹp, mạch tách sóng đỉnh (giải điều chế). – Mạch bảo vệ tĩnh điện – Khóa điện tử . . . 8Diode specification sheets 9 10 1N4148 11 1N4148 12 1N4148 13Slides From Jaeger/Blalock Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Diode • A diode is formed by joining an n-type semiconductor with a p-type semiconductor. • A pn junction is the interface between n and p regions.Diode symbol 14 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. Phương trình diode iD I S exp qvD nkT 1 I S exp vD nVT 1 15Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Dòng diode với các cách phân cực • Phân cực ngược: • Phân cực Zero: (không phân cực) • Phân cực thuận: iD IS exp vD nVT 1 IS 0 1 IS iD IS exp vD nVT 1 IS 1 1 0 iD IS exp vD nVT 1 IS exp vD nVT 16 Giải tích mạch diode: Cơ sở V và R có thể biểu diễn tương đương Thévenin của 1 mạng 2 cực phức tạp hơn. Đối tượng của giải tích mạch diode là tìm điểm [làm việc] tĩnh (quiescent operating point) Q của diode, nghĩa dòng và áp DC ở diode. Phương trình vòng của mạch bên: Nó cũng được gọi là đường tải (load line) của diode (DCLL=DC Load Line). Nghiệm của phương trình này có thể tìm bằng: • Giải tích đồ thị dùng phương pháp đường tải. • Giải tích với mô hình toán của diode. • Giải tích đơn giản hóa với mô hình diode lý tưởng. • Giải tích đơn giản hóa với mô hình sụt áp hằng. DD VRIV 17 Giải tích đường tải (thí dụ) Vấn đề: Tìm điểm Q Cho trước: V=10 V, R=10kW. Giải tích: Để định nghĩa đườg tải, ta dùng, VD= 0 VD= 5 V, ID =0.5 mA Giao của 2 đường này cho nghiệm: Điểm Q = (0.95 mA, 0.6 V) 1010 4 DD VI mA1)k10/V10( W DI 18 Đường tải DC (DC Load Line) 1 1.5V 25Ω S F FV V VI R Phương trình đường tải: 19 Vấn đề: Tìm điểmQ với đặc tuyến diode cho trước. Dữ liệu: IS = 10-13 A, n = 1, VT = 0.025 V Giải tích: Muốn giải hệ này ta phải dùng phương pháp tính số. Giải tích dùng mô hình toán cho Diode DD D T D SD VV V nV V II 140exp101010 140exp101exp 134 13 Bằng cách đoán các giá trị lặp lại cho VD và tăng hay giảm VD cho đến khi vế phải của phương trình bằng 10: Điểm Q= (0.943 mA, 0.574 V) thường thì 2 hay 3 số có nghĩa cho VD vì IS, n, VT, và R hiếm khi có độ chính xác tốt hơn. Ta sẽ SPICE nếu ta muốn dùng mô hình toán đầy đủ. 1010 4 DD VI 20 Newton’s Iteration Method for f (vD) = 0 21 Solution from a Spreadsheet 22 Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng Nếu diode được phân cực thuận, sụt áp trên 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) 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 hợp với miền hoạt động được giả sử. • Kiểm tra xem kết quả tính có nhất quán với giả thiết hay không. Đặc tuyến diode lý tưởng Ký hiệu diode lý tưởng Ngắn mạch Hở mạch 23 Giả sử diode ON (vì nó giống như Anode có điện thế cao hơn Cathode). Điểm Q là (1 mA, 0V) 0 m1 k10 V)010( W D D I AI (giả thiết đúng) Giả sử diode OFF. Từ đó ID =0. Phương trình vòng là: Điểm Q là (0, -10 V) V10 01010 4 D DD V IV (giả thiết đúng). Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng (thí dụ) 24 Giải tích dùng mô hình sụt áp hằng cho diode Giải tích: Giả sử diode ON. vD = Von với iD >0 và vD = 0 với vD < Von. mA94.0 k10 V)6.010( k10 V)10( W W onD V I Mô hình lý tưởng là mô hình sụt áp hằng với Von = 0V. Hở mạch Mô hình sụt áp hằng 25 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, 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. mA5.1 k10 V)015( 1 W I mA2k5 V)10(0 2 W DI 211 DD III mA5.025.11 DI 26 Vì dòng trong D1 là zero, ID2 = I1, Các điểm Q là D1 : (0 mA, -1.67 V): OFF D2 : (1.67 mA, 0 V) : ON Giải tích: Từ đó dòng trong D2 thì đúng nhưng dòng trong D1 thì không đúng, ta giả sử tiếp D1 OFF và D2 ON. V67.17.1615k1015 mA67.1 15k V25 0)10(k5k1015 11 1 21 W IV I II D D Giải tích mạch 2 diode (2) 27 4.10.2 Diode ổn áp (Zener) • Diode ổn áp được chế tạo dựa theo cơ chế đánh thủng (ở miền phân cực ngược) thác lũ và/hoặc đường hầm (hay Zener).(VZ = 2 1000V) Diode Zener: (a) Ký hiệu sơ đồ mạch; (b) Ký hiệu khác; (c) đặc tuyến Volt-Ampere (I-V). IZmin IZmax 28 Reverse Breakdown Mechanisms a) Zener breakdown occurs when the electric field is sufficiently high to pull an electron out of a covalent bond (to generate an electron-hole pair). b) Avalanche breakdown occurs when electrons and holes gain sufficient kinetic energy (due to acceleration by the E- field) in-between scattering events to cause electron-hole pair generation upon colliding with the lattice. 29 Zener Diodes – Regulation Ranges The zener diode’s breakdown characteristics are determined by the doping process. Low voltage zeners (>5V), operate in the zener breakdown range. Those designed to operate <5 V operate mostly in avalanche breakdown range. Zeners are available with voltage breakdowns of 1.8 V to 200 V. This curve illustrates the minimum and maximum ranges of current operation that the zener can effectively maintain its voltage. Zener zone Diode zone Avalanche zone 5V. 30 Đặc tuyến đánh thủng của diode Zener Chú ý dòng ngược rất nhỏ (trước “knee” [đầu gối]). Đánh thủng xảy ra @ knee. Đặc tính đánh thủng: • VZ giữ gần như là hằng số • VZ cung cấp: -Điện áp chuẩn -Ổn định điện áp • IZ tăng nhanh • IZMAX đạt được nhanh chóng • Nếu tăng dòng vượt quá IZMAX thì diode Zener bị hư (dòng gối Zener) (dòng thử Zener) (dòng Zener cực đại) Zener zone Diode zone Avalanche zone 31 Hệ số nhiệt TC • Định nghĩa: Hệ số nhiệt của đại lượng X là TCX (đơn vị là 1/oC hay ppm/oC [ppm=10-6]) • TCVZ có giá trị: < 0 khi Zener có VZ < 4V (đánh thủng Zener) > 0 khi Zener có VZ > 6V (đánh thủng thác lủ) 0, hoặc = 0 khi Zener có 4V < VZ < 6V dT dX X TCX 1 32 Mạch ổn áp Zener Mạch ổn áp zener. (a) Mạch cơ bản; (b) có nối đất; (c) nguồn cấp điện lái mạch ổ áp Chú ý: Izmin < IS < IZmax Thường chọn IS = (Izmin + Izmax)/2 33 Mô hình diode zener lý tưởng Mô hình diode zener lý tưởng khi ở phân cực ngược > VZ 34 Xấp xỉ bậc 2 của diode Zener Mạch tương đương 35 Mạch ổn áp Zener có tải • Hoạt động đánh thủng với điện áp Thévenin đặt ở Zener là: VTH = VSRL/(RS+RL) • Dòng điện nối tiếp IS • Dòng tải IL = VL/RL=VZ/RL • Dòng Zener IZ = IS – IL ( chú ý điều kiện để Zener vẫn còn ổn áp!) Mạch ổn áp có tải (a) Mạch cơ bản; (b) Mạch thực tế 36 Xấp xỉ bậc 2 của diode Zener Hiệu ứng trên điện áp tải: VL = VZ + IZRZ VL = IZRZ Vì RZ thường nhỏ ∆VL nhỏ!. 37 Điểm rời khỏi miền ổn áp Trường hợp xấu nhất 38 Đọc bảng dữ liệu (Data Sheet) • Công suất tối đa PZM: PZ=VZIZ < PZM • Giảm định mức: Hệ số giảm định mức (mW/oC) cho biết sự thay đổi của PZM theo nhiệt độ • Dòng tối đa IZM: IZM = PZM/VZ • Dung sai x%: VZ ± x% • Điện trở Zener (tổng trở Zener) RZT hay ZZT: điện trở động của Zener ở miền Zener Chú ý: Các số liệu khác có thể suy ra từ sổ tay • Tính IZmax = PZM/VZ • Chọn IZmin = IZmax/10 39 4.10.3 Diode biến dung (varactor=varicap) Đặc điểm: Dựa trên sự thay đổi điện dung của miền nghèo khi được phân cực ngược Các ký hiệu (a) và (b) thường dùng ở Mỹ (c) và (d) thường dùng ở Anh 40 Diode biến dung – Thí dụ (2) Ký hiệu Đặc tuyến Mạch thí dụ 41 Diode biến dung được dùng trong các mạch lọc làm dụng cụ chỉnh được cho chọn lựa tần số cộng hưởng. Varactor Bias adjust Diode biến dung (3) 42 Varactor Diodes Capacitance Tolerance Range - This is the equivalent of the value tolerance range of a resistor. ie: 1N5148 – Nominal value = 47pF - Tolerance range is 42.3pF to 51.7pF Tuning Ratio (TR) or (Capacitance Ratio) - Refers to Rangeability (value @ Bias Vmax vs Bias Vmin) - Vmin is 4V bias (C4) (for the 1N5139, C4 = 6.8pF) - Vmax is 60V bias (C60) (for the 1n5139, C60 = 2.3pF) For the 1N5139, TR = 2.9 Quality Factor (Q) describes energy loss in the device. High Q desireable) Temperature Coefficient - ∆Capacitance vs ∆Temp 43 Nguyên tắc hoạt động • LED chủ yếu là chuyển tiếp PN được làm từ bán dẫn hỗn hợp có khe năng lượng trực tiếp (TD: GaAs), trong đó sự tái hợp cặp điện tử-lỗ (EHP) làm phát xạ photon. Khi đó photon được sinh ra có bước sóng λ [nm] = 1240/Eg[eV] • Giản đồ năng lượng sau minh họa sự sinh ra ánh sáng trong LED, trong đó phía N pha nồng độ n+ vì muốn miền nghèo phần lớn nằm bên P và muốn cung cấp nhiều điện tử khuếch tán từ N vào P và nó được duy trì bằng phân cực thuận cho LED.. 4.10.4 LED (Light Emitting Diode =Diode phát quang) (a) Chưa phân cực (b) Phân cực thuận V0=thế nội [khuếch tán] 44 Vật liệu chế tạo LED • Phần lớn LED sử dụng bán dẫn hỗn hợp có khe năng lượng trực tiếp, hình sau cho thấy bước sóng ánh sáng được sinh ra với vật liệu tương ứng 45 Các vật liệu bán dẫn thường dùng cho LED Bán dẫn Nền/Đế D/I Chú thích D=trực tiếp; I=gián tiếp; DH= cấu trúc dị thể kép; external=hiệu suất lượng tử ngoài Các kênh truyền thông quang sử dụng bước sóng 850 nm (mạng cục bộ) và 1.3 và 1.55 μm (khoảng cách xa). 46 Đặc tính của LED (thí dụ) (a) Phổ ánh sáng ra tiêu biểu (cường độ sáng tương đối với bước sóng) từ LED đỏ GaAsP. (b) Công suất ánh sáng phát ra tiêu biểu theo dòng điện thuận. (c) Đặc tuyến I-V tiêu biểu của LED, điện áp ON lkhoảng 1.5 V. • Đặc tuyến I-V: tương tự diode thường, nhưng VON> 0.7V (từ 1.2V đến 4.5V tùy theo loại LED với vật liệu gì, tiêu biểu là 2V với LED ánh sáng thấy được), điện áp đánh thủng nhỏ (VBR ~ 3 5V) • Ánh sáng phát ra tỉ lệ thuận với dòng qua LED (nếu dòng qua LED chưa đến bão hòa) 47 LED – Spectral Curves Note the wavelengths of the various colors and infrared. Note lead designations to the right. 48 • An Optoelectronic Device – Polarity Important • Brighter as Current Increases • Junction Voltage ~ 1.78 V (Red LED) Long – Anode (+) Short – Cathode (-) LED pn junction diode I-V characteristics -10 -5 0 5 10 15 20 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Applied voltage C ur re nt + - 49 Mạch lái LED đơn giản Mạch chỉ thị dùng LED: (a) Mạch cơ bản; (b) mạch thực tế Điện trở hạn dòng RS được tính như sau: RS = (VS - VD) / IS Với các giá trị tiêu biểu của LED là: VD=2V, ID=10mA 50 Hiển thị LED 7 đoạn TD: loại CA (Common Anode) 51 Optical Diodes The seven segment display is an example of LEDs use for display of decimal digits. 52 Bargraph 7-segment Starburst Dot matrix Some Types of LEDs 53 4.10.5 Photodiode (diode [thu] quang) (PD) • Cấu tạo: tiếp xúc PN • Nguyên tắc hoạt động: dựa trên sinh cặp điện tử-lỗ làm thay đổi sự dẫn điện • Đặc tuyến I-V: góc phần tư III ứng dụng thu quang, góc phần tư IV làm pin mặt trời (solar cell) - + g=công suất quang 54 Photodiode (2) VOUT= –I.RF I V0 chưa có ánh sáng chiếu vào chiều tăng cường độ sáng vùng photodiode Vùng solar cell 55 p-i-n Photodiodes •Only electron-hole pairs generated in depletion region (or near depletion region) contribute to current •Only light absorbed in depletion region contributes to generation –Stretch depletion region –Can also operate near avalanche to amplify signal 56 Solar Cells N P - + short circuit light Isc (a) V 0.7 V –Isc Maximum power-output Solar Cell IV I Dark IV 0 (b) Ec Ev Solar Cells Also known as photovoltaic cells, solar cells can convert sunlight to electricity with 15-30% energy efficiency 57 58 59 4.10.6 Diode (rào thế) Schottky One semiconductor region of the pn junction diode is replaced by a non- ohmic rectifying metal contact.A Schottky contact is easily added to n-type silicon,metal region becomes anode. n+ region is added to ensure that cathode contact is ohmic. Schottky diode turns on at lower voltage than pn junction diode, has significantly reduced internal charge storage under forward bias. Đặc điểm: tiếp xúc M-S (kim loại-bán dẫn), VON thấp, chuyển mạch nhanh 60 Chuyển tiếp M-S • Diode Schottky còn được gọi là diode “hạt dẫn nóng” (‘hot-carrier’ diode). • Hoạt động ở phân cực thuận. • Dòng ngược trong diode chỉnh lưu được sinh ra bởi hạt dẫn thiểu số • Dòng ngược trong diode Schottky được sinh ra bởi điện tử. • Dễ dàng dẫn hơn do VON nhỏ, chuyển mạch nhanh hơn ứng dụng trong mạch có tần số hoạt động cao Kim loại (vàng, bạc, platinum) Bán dẫn loại N (như Si hoặc GaAs) Anode Cathode 61 Schottky Barrier: Current Flow • Electrons can flow from the metal to the semiconductor and vice-versa. • When external bias is applied, current flows in the device which occurs by the following mechanisms: – Thermionic emission: electrons with energy greater than the barrier height e(Vbi-V) can overcome the barrier and pass across the junction. As the bias changes the barrier to be overcome by electrons changes and the electron current injected changes. – Tunnelling: electrons can tunnel through the barrier. • The saturation current in the Schottky barrier is much higher than the p-n junction. This results in a turn-on voltage for a forward-bias conducting state at a very low bias, but also results in a high reverse current. 62 p-n Diode Schottky Diode Reverse current due to minority carriers diffusing to the depletion layer strong temperature dependence Reverse current due to majority carriers that overcome the barrier less temperature dependence Forward current due to minority carrier injection from n- and p- sides Forward current due to majority injection from the semiconductor Forward bias needed to make the device conducting (the cut-in voltage) is large The cut-in voltage is quite small Switching speed controlled by recombination of minority charge carriers Switching speed controlled by thermalisation of “hot” injected electrons across the barrier ~ps (majority carrier device). P-N vs Schottky Diode 63 Metal-Semiconductor Contact 64 Schottky Junction Characteristics 65 Metal-Semiconductor Ohmic Contacts: n-type 66 Metal-Semiconductor Ohmic Contacts: p-type and tunneling Ohmic contacts 67 Schottky Junction: forward bias 68 Các diode khác • Varistor (bộ triệt quá độ): hạn biên bảo vệ tải. • Diode ổn dòng (Current-regulator diode) • Diode hồi phục bước: có dòng ở phân cực ngược và thay đổi đột ngột về 0 với áp ngược thích hợp tạo hài, tạo sóng • Diode ngược: đánh thủng ngược ở điện áp thấp gần 0V (~0.1V) chỉnh lưu tín hiệu AC thấp (yếu) (ngược: do dẫn ngược tốt hơn dẫn thuận!) • Diode tunnel (đường hầm): đặc tuyến có vùng điện trở âm tạo dao động. 69 “varistor diode” có thể được dùng để bảo vệ thiết bị điện không bị hư khi có đột biến điện áp. 70 Diode ổn [địng] dòng [điện] (Constant-Current Diode) 71 Power supply VS RS Diode ổn [định] dòng RS có thể thay đổi và dòng điện giữ không đổi. Diode ổn dòng (2) 72 Diode đường hầm (Tunnel diode) • Chuyển tiếp PN với bán dẫn suy biến • Đặc tuyến I-V cho thấy có vùng điện trở âm, được dùng trong mạch dao động 73 Tunnel Diodes Tank circuits oscillate but “die out” due to the internal resistance. A tunnel diode will provide “negative resistance” that overcomes the loses and maintains the oscillations.
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_4_chuyen_tiep_pn_pn_junctio.pdf