Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 2)

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
11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn
34.6 Các mô hình 
của diode bán dẫn
4Các mô hình diode 
(chưa xét đến đánh thủng ngược)
Mô hình diode lý tưởng
(xấp xỉ bậc 1)
Mô hình sụt áp hằng
(xấp xỉ bậc 2)
Mô hình với điện trở thuận
(xấp xỉ bậc 3)
• rD là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có VDQ >VON) = VT/IDQ
• VON=0.7V với Si
5Các cấp điện trở
• Bán dẫn hoạt động khác nhau với dòng điện DC và AC.
• Có 3 loại điện trở
– Điện trở tĩnh hay DC : RD = VD/ID
– Điện trở động hay AC: rd = ∆VD/ ∆ID
định nghĩa tổng quát hơn rd = dVD/dID ( = VT/ID ở điểm VD > VON)
– Điện trở AC trung bình: rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm)
Điện trở tĩnh RD Điện trở động rd Điện trở AC trung bình
6 Mô hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model):
 D T
d T
V /nV
D s D T
D D D d
D
v (t)/nV
D D
d T
The diode I-V characteristics: I I e assume V V
For an instantaneous voltage v (t): v (t) V v (t)
then we have the instantaneous current i (t):
i (t) I e
if v (t)/nV 1, that is, a small
d Tv (t)/nV d D
D D D D d
T T
D D d
D
d d
T
 signal assumption
v (t) I
i (t) I e I (1 ) I v (t)
nV nV
Since i (t) I i (t) DC AC;
We can have the AC i-v components:
I
i (t) v (t)
nV
So, we can also have the small-signal resistance (or the

 d Td
d D
 incremental resistance)
v (t) nV
r Ω
i (t) I
Đặc tuyến dòng-áp (I-V): giả sử
Với điện áp tức thời
Thì ta có dòng điện áp tức thời là 
Nếu nghỉa là giả sử tín hiệu nhỏ
Nếu
Ta có các thàn phần i-v AC 
Vì vậy, t có điện trở tín hiệu nhỏ 
7Circuit Model
Categories of Circuit I-V Models:
• Exponential (physical);
• Piecewise Linear;
• Constant Voltage Drop;
• Ideal-diode;
• Small signal (linear approximation);
 Reference : Table 3_1
Non-Linear Model
8
9
10
11
 Ideal-diode Model:
ON0vfor0,valuepositiveanyi
OFF0vfor0,i
P N
12
 Example of the Branch Current Calculation :
(based on the ideal-diode model)
13
 Constant Voltage Drop Model:
v
i
0.7V
ON0.7vfor0,valuepositiveanyi
OFF0.7vfor0,i
0.7V
9.3mA
14
 Piecewise Linear Model:
ONVvfor,
V
i
OFFVvfor0,i
D,0
D,0
D,0
Dr
V
VD,0
9.1mA
15
 Terminal Characteristics of a Real Diode:
•Real I-V in normal scale
16
 
1
2
10t
1
2
t12
21
t
s
tvv/n
s
tvv/n
s
I
I
logV2.3n
I
I
lnnVVV
havecan we
,I and I currents diode For two
factor. ideal theisn 
25mV);( voltage thermal theis v
current; scale or thecurrent saturation theis I
where
eI1)(eIi
:current diode bias-forward The *
17
 Temperature Effect on the diode current:
•At a given constant current the voltage drop
across the diode decreases by approximately 
2mV for every 1C increase in temperature.
18
Ex. Using the fact that a silicon diode has Is=10-14 A at 25 C
and that Is increases by 15% per C rise in temperature,
find the value of Is at 125 C.
(A)101.17410(1.15))(125I
)(25I15%)(1(T)I
C125 @A ?I
C25 @A 10I
:Sol
814100
s
s
1
)25(T
s
s
14
s
  
 
19
4.7 Điện tích chứa 
và quá trình quá độ
20
• Ở phân cực thuận, điện tử được 
bơm từ miền N vào miền P và lỗ 
được bơm vào từ miền P vào miền 
N. Khi đi qua chuyển tiếp, hạt dẫn 
thiểu số tái hợp với hạt dẫn đa số và 
suy giảm theo hàm mũ với khoảng 
cách đi được 
• Những đóng góp của các hạt dẫn 
thiểu số này dẫn đến có dòng điện 
và tích trữ điện tích trong chuyển 
tiếp P-N. 
• Ta xét điện tích được tích trữ này, 
hiệu ứng của nó lên điện dung tiếp 
xúc, và ứng xử quá độ của chuyển 
tiếp P-N do những thay đổi đột ngột 
ở phân cực.
Hình 17 (a) Sự phân bố 
của hạt dẫn thiểu số khi có 
phân cực thuận
21
4.7.1 Tích trữ hạt dẫn thiểu số
(Minority-Carrier Storage)
• Điện tích của những hạt dẫn thiểu số được bơm vào trên đơn 
vị diện tích được chứa trong miền N trung hòa có thể được 
tìm bằng cách lấy tích phân những lỗ thừa trong miền trung 
hòa (phần hình vẽ có tô đen-H.17a), dùng phương trình 51:
Chú thích:
 Với chiều dài Lp= là chiều dài khuếch tán của lỗ (hạt dẫn thiểu số)
trong miền N. Ở x = xn
22
• Ta cũng có biểu thức tương tự cho những điện tử được 
tích trữ trong miền P trung hòa. Số hạt dẫn thiểu số tích 
trữ được phụ thuộc vào cả chiều dài khuếch tán L và mật 
độ điện tích ở cạnh (biên) miền nghèo. Ta có thể biểu 
diễn điện tích chứa theo dòng bơm vào. Từ các phương 
trình 52 và 75, ta có 
• Phương trình trên phát biểu rằng lượng điện tích chứa là 
tích số của dòng điện và thời gian sống của hạt dẫn thiểu 
số. Có điều này là do lỗ (được bơm vào) lại khuếch tán 
nữa vào miền N trước khi tái hợp nếu thời gian sống của 
chúng dài hơn, như vậy có nhiều lỗ được tích trữ hơn.
(76)
23
24
• Điện dung miền nghèo được xét trước đây thì dùng cho điện 
dung chuyển tiếp khi nó được phân cực ngược. 
• Khi chuyển tiếp được phân cực thuận, có thêm đóng góp 
đáng kể vào điện dung chuyển tiếp từ sự sắp xếp lại của điện 
tích chứa trong các miền trung hòa. Đó chính là điện dung 
khuếch tán Cd, có được từ diode thật khi hạt dẫn thiểu số di 
chuyển qua miền trung hòa do khuếch tán. 
• Điện dung khuếch tán của lỗ được tích trữ trong miền N trung 
hòa có được bằng cách áp dụng định nghĩa Cd = AdQp/dV vào 
phương trình 75
với A là diện tích mặt cắt ngang của dụng cụ. Ta có thể thêm 
đóng góp Cd do điện tử chứa trong trường hợp đáng kể đến.
4.7.2 Điện dung khuếch tán
25
• Với chuyển tiếp p+-n (np0 << pn0), đóng góp Cd của điện tử 
chứa trở nên không đáng kể. Khi phân cực ngược (nghĩa là V 
âm), phương trình 77 cho thấy Cd vì sự tích trữ hạt dẫn thiểu 
số có thể bỏ qua được. 
• Trong nhiều ứng dụng, ta thường biểu diễn chuyển tiếp P-N 
bằng tương đương. Ngoài điện dung khuếch tán Cd và điện 
dung miền nghèo Cj, ta phải kể đến dòng điện đi qua dụng cụ. 
Với diode lý tưởng, độ dẫn điện có được từ phương trình 55:
Chú thích:
= I/VT
• Trong phân tích mạch điện tử, người ta dùng ký hiệu rd = 1/G
26
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của diode
(a) Mô hình chưa kể đến RS và LS
(b) Mô hình kể đến RS (điện trở khối) và LS (điện cảm dây dẫn) 
(c) C phụ thuộc vào phân cực
27
4.7.3 Đáp ứng quá độ
• Với các áp dụng chuyển mạch, chuyển đổi từ phân cực 
thuận sang ngược gần như là đột ngột và thời gian quá độ 
ngắn. Hình 22a cho thấy mạch đơn giản với dòng thuận IF 
chạy qua chuyển tiếp P-N. 
• Tại thời điểm t=0, công tắc S đột ngột được chuyển sang 
phải và dòng ngược ban đầu IR V/R chạy qua. Thời gian 
quá độ toff được vẽ ở hình 22b, là thời gian cần cho dòng 
điện đạt đến 10% của dòng ngược ban đầu IR.
• Thời gian quá độ có thể được ước lượng như sau. Trong 
điều kiện phân cực thuận, hạt dẫn thiểu số chứa trong miền 
N với chuyển tiếp p+-n được cho bởi phương trình 76:
với IF là dòng thuận và A là tiết diện ngang của dụng cụ.
28
Hình 22. Ứng xử quá độ của chuyển tiếp P-N.
(a) Mạch chuyển mạch cơ bản (b) Đáp ứng quá độ của dòng được chuyển 
từ phân cực thuận sang ngược
29
• Nếu dòng trung bình chạy trong lúc diode tắt là IR,ave, thời 
gian tắt là thời gian cần để lấy đi tổng điện tích chứa Qp:
• Như vậy thời gian tắt phụ thuộc vào cả tỉ số của dòng 
thuận trên ngược và thời gian sống của hạt dẫn thiểu số 
p (xem hình 23). 
• Với các dụng cụ chuyển mạch nhanh, ta phải giảm thời 
gian sống của hạt dẫn thiểu số. Do đó, các trung tâm tái 
hợp-sinh có những mức năng lượng gần giữa dải cấm, 
như người ta thường thêm Vàng vào Silicon.
30
Hình 23. Thời gian quá độ được chuẩn hóa 
theo tỉ số dòng thuận IF trên dòng ngược IR.
31
Phân tích thời gian tắt toff
• toff còn được gọi là thời gian hồi phục ngược (reverse 
recovering time ) tr hay trr. 
• tr = ts + tf
• Tại t1<=0; I1=IF
• Trong khoảng t1 < t < t2: I2=IR=-VR/R
ts tf
32
Thời gian tích trữ điện tích ts
33
t < 0 :
0 < t < ts:
Giải phương trình vi phân trên:
NX: Thời gian tích trữ điện tích ts phụ thuộc vào: 
• thời gian sống của hạt dẫn thiểu số;
• dòng điện thuận bơm vào I1; 
• dòng điện ngược rút ra I2
34
Thời gian hồi phục ngược tr
(reverse recovering time ) 
Định nghĩa:
với tf là thời gian xuống (fall time)
Với chuyển tiếp p+-n:
Khi 
Khi 
35
(b) Diode switching
• For switching applications, the transition from forward bias 
to reverse bias must be nearly abrupt and the transit time 
short.
• Diode turn-on and turn-off characteristics can be obtained 
from the solution of the continuity equations:
p
pp
p
p
p
p
p
p
npD
pp
n
Q
dt
dQ
tItI
Q
tI
dt
dQ
p
x
J
q
RJ
qdt
pd






    
)()()(
11 1
Valid for p+n diode
Qp(t) = excess hole charge
36
Diode turn-on:
• For t<0, the switch is open, and
the excess hole charge is:
• At t=0, the switch closes, and we
have the following boundary
condition:
0)0()0( pp QtQ
0)0()0( pp QQ
p+ n
t=0
IF
  
  pp t
Fp
t
p eIBeAtQ
//
1)(
• Final expression for the excess hole charge:
37

S
F
Ta
VV
pnp
LxVV
nn
I
I
VV
eLAqpQeepxp TapTa
1ln
11)( /0
//
0
• Graphical representation:
• Steady state value for the bias across the diode:
)(tQp
t
Fp I
),( txpn
x
0np
t increasing
Slope almost constant
38
Diode turn-off:
• For t<0, the switch is in position
1, and a steady-state situation is
established:
• At t=0, the switch is moved to
position 2, and up until time t=t1
we have:
• The current through the diode
until time t1 is:
R
V
I FF 
 0),0( 0 ann Vptp
p+ n
t=0
VF
R
VR
R
1 2
R
V
I RR 
39
• To solve exactly this problem and find diode switching time,
is a rather difficult task. To simplify the problem, we make
the crucial assumption that IR remains constant even beyond
t1.
• The differential equation to be solved and the initial
condition are, thus, of the form:
• This gives the following final solution:
• Diode switching time:
Fppp
p
pp
R IQQ
Q
dt
dQ
I  

 )0()0(, 
 ptRFpRpp eIIItQ
 
   
/
)(
  
R
F
prrrrp I
I
ttQ 1ln0)( 
40
• Graphical representation:
),( txpn
x
0np
t=0
Slope almost
constant
t=ts
t trr
)(tVa
FI
RI 
st
RI1.0 
rrt
RV 
t
t
ts switching time
trr reverse recovery time
41
4.8 Đánh thủng 
chuyển tiếp PN
42
Đánh thủng ở phân cực ngược
• Chuyển tiếp PN khi bị phân cực ngược cho dòng bão hòa 
ngược gần như ít phụ thuộc áp ngược, điều này chỉ đúng 
cho đến khi phân cực ngược đạt đến tới hạn, khi đó có đánh 
thủng (breakdown) xảy ra. Người ta gọi điện áp tới hạn này 
là điện áp đánh thủng VBR , khi đó dòng ngược qua diode 
tăng nhanh, có dòng tương đối lớn chạy qua chuyển tiếp với 
sụt áp gần như không đổi.
• Đánh thủng ngược do 2 cơ chế, mà mỗi cơ chế cần điện 
trường tới hạn trong miền chuyển tiếp.
- Đánh thủng đường hầm (hay Zener) : hoạt động ở điện áp 
thấp (vài Volts)
- Đánh thủng thác lủ: hoạt động với điện áp cao hơn (vài 
Volts đến hàng chục ngàn Volts)
43
Reverse breakdown in a p-n junction.
44
Đánh thủng chuyển tiếp
• Hiệu ứng xuyên hầm (Tunneling effect)
• Nhân thác lũ (Avalanche multiplication)
– Đặt giới hạn cao ở phân cực ngược với hầu hết diode
– Giới hạn điện áp collector của BJT
– Giới hạn điện áp drain của MOSFET
– Có thể tạo công suất vi-ba (microwave), như trong 
diode IMPATT 
– Phát hiện tín hiệu quang như trong diode quang thác 
lũ (avalanche photodetector)
45
Hiệu ứng đường hầm (Tunnel effect)
• Khi có điện trường E cao (cùng chiều 
điện trường nội của miền nghèo):
– Di chuyển của điện tử hóa trị từ dải 
hóa trị sang dải dẫn (xuyên hầm = 
tunneling)
– Xảy ra chỉ khi điện trường rất cao
• Si, GaAs trên 106V/cm
• Pha tạp chất cao, trên 5x1017cm-3
– Hệ số nhiệt âm (TCVBR <0)
– Điện áp đánh thủng
• Nhỏ hơn 4Eg/q
• Với thác lũ: lớn hơn 6Eg/q
• Giữa 4 và 6Eg/q, trộn cả hai thác lũ 
và đường hầm
Đánh thủng đường hầm xảy ra trong các chuyển tiếp pn pha nhiều
 tạp chất và có bề rộng miền nghèo W khoảng 10 nm.
46
Nhân thác lũ (Avalanche multiplication)
• Với tạp chất pha vào ND <=1017cm-3 
dưới phân cực ngược
• Điện tử sinh ra do nhiệt trong miền 
nghèo có được động năng từ điện 
trường
– Nếu độ lợi này đủ động năng
– Khi va chạm với 1 nguyên tử
– Phá vỡ các liên kết mạng tinh thể
– Tạo ra cặp điện tử-lỗ
• Điện tử và lỗ mới được tạo có được 
động năng
– Tạo thêm cặp điện tử-lỗ
– .
– Nhân thác lũ
• Hệ số nhiệt dương (TCVBR > 0)
Là cơ chế quan trọng nhất trong đánh thủng chuyển tiếp, nghĩa là
nó xác định giới hạn trên khi phân cực ngược cho hầy hết các diode.
47
EFn
EC 
EV 
EF
p
Expanded view of the
depletion region
Avalanche mechanism:
Generation of the excess electron-hole 
pairs is due to impact ionization.
48
Điều kiện đánh thủng
Dòng điện tử tăng thêm ở x bằng số cặp điện tử-lỗ được 
sinh ra trong 1 giây trong khoảng đường dx.
hoặc
Giả sử rằng:
Điều kiện 
đánh thủng:
Hệ số nhân:
Với n và p là tốc độ ion 
hóa của điện tử và lỗ:
49
Tốc độ ion hóa va chạm
50
Điện trường tới hạn tại đánh thủng
(Critical field at breakdown)
Xuyên đường hầm chỉ xảy 
ra ở pha tạp chất cao
 Điện áp trong miền nghèo 
được xác định từ giải 
phương trình Poisson, 
chuyển tiếp bước 1 phía
 Với chuyển tiếp biến đổi đều 
tuyến tínhĐ
iệ
n 
trư
ờ
ng
 tớ
i h
ạn
 tạ
i đ
án
h 
th
ủn
g 
(1
05
V
/c
m
)
51
Điện áp đánh thủng thác lũ
(Avalanche breakdown voltage)
• Đường đứt nét ở vùng pha 
tạp chất cao chỉ hiệu ứng 
xuyên hầm
• GaAs có điện áp đánh thủng 
cao hơn Si với cùng tạp chất 
NB
– Khe năng lượng lớn hơn
– Cần điện trường lớn h ơn
– Điện áp đánh thủng cao hơn.
52
Breakdown voltage for the diffusion junction
• The breakdown voltage 
line between
– Abrupt junction and linearly 
graded junction consideration
• For larger a and low NB
– VB is given by the abrupt 
junction results
– Shown on the bottom line
• For small a and high NB
– VB is given by the linearly 
graded junction results
– Indicates by the parallel lines
53
Example 8