chapter4-1-Chuyen-tiep-PN.pdf

VẬT LÝ BÁN DẪN (EE1007)
Chương 4-1: Chuyển tiếp P-N
HIEU NGUYEN
Bộ môn kỹ thuật điện tử
Đại học Bách Khoa Tp.HCM
HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 4-1 1 / 79

Tổng quát
Nội dung chương này giới thiệu về chuyển tiếp P-N. Đây
là khối xây dựng cơ bản nằm trong các linh kiện phổ
biến như Diode, Zenner, Thyristor, BJT, MOSFET, ...
Nội dung chương này gồm các phần:
Các bước chế tạo nên chuyển tiếp P-N sử dụng
công nghệ Planar
Các đặc điểm, tính chất của chuyển tiếp P-N
Đặc tuyến, kỹ thuật giải mạch và ứng dụng của 1 số
linh kiện có khối xây dựng chính là chuyển tiếp P-N

Chuyển tiếp P-N
Chuyển tiếp P-N là cấu trúc đơn tinh thể chứa cả 2 miền
bán dẫn loại P (Acceptor) và N (Donor). Diode (hay
diode chỉnh lưu) là linh kiện tiêu biểu và phổ biến nhất
sử dụng chuyển tiếp này làm khối xây dựng chính. Ký
hiệu của linh kiện này thường được sử dụng như hình

Chuyển tiếp P-N
Trên thực tế, việc tạo nên chuyển tiếp P-N không đơn
giản chỉ là ghép 2 miếng bán dẫn loại P và loại N lại với
nhau bởi 2 lí do chính sau:
Khi ghép 2 miếng lại, nếu hướng tinh thể của 2
miếng (biểu diễn bởi chỉ số Miller) không giống
nhau thì không thể ghép thành 1 cấu trúc đồng nhất
Dù cả 2 miếng có cùng hướng tinh thể, thì khi đặt
hai miếng bán dẫn sát lại, tại vị trí mặt tiếp xúc sẽ
xuất hiện 1 lớp không khí rất mỏng ngăn cách. Lớp
không khí này cản trở dòng hạt chạy giữa 2 miếng
bán dẫn và dẫn đến không thể hình thành dòng điện
Công nghệ Planar là công nghệ phổ biến dùng để tạo
nên chuyển tiếp P-N

Nội dung
1 Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N
2 Mô hình hóa chuyển tiếp P-N
3 Sự hình thành miền nghèo
4 Giản đồ dải năng lượng
5 Rào thế - Điện thế nội
6 Đặc tính của miền nghèo
7 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp P-N
8 Tài liệu tham khảo

Nội dung

Các bước chế tạo chuyển tiếp P-N
Hiện nay, công nghệ Planar được sử dụng nhiều để chế
tạo các linh kiện bán dẫn cũng như IC. Các bước chính
của công nghệ này theo thứ tự bao gồm:
Quang khắc (Lithography)
Oxy hóa (Oxidation)
Khuếch tán tạp chất (Dopant diffusion) hoặc Cấy
ion (Ion Implantation)
Tạo bề mặt kim loại (Surface Metal Patterning)

Quang khắc
a Bước đầu tiên, phủ một lớp silicon nitride (Si3N4)
lên trên bề mặt tấm bán dẫn (giả sử đang xét bán
dẫn loại N)
b Phủ thêm 1 lớp cản quang (Photoresistor - PR) lên
phía trên lớp Si3N4

Quang khắc
c Chiếu lên lớp cản quang tia UV thông qua 1 mặt nạ
d Phần lớp cản quang không được chiếu UV bị rửa
trôi đi. Phần được chiếu tia UV được giữ lại

Quang khắc
e Rửa trôi tiếp đi lớp Si3N4 được định hình bởi lớp
cản quang
f Rửa trôi đi phần lớp cản quang còn lại

Oxy hóa
Một lớp silicon dioxide (SiO2) được phát triển trên bề
mặt lớp n sử dụng quá trình oxy hóa nhiệt. Phần được
che phủ bởi Si3N4 sẽ ngăn cản không cho SiO2 phát
triển. Đây là mục đích chính của việc định hình lớp Si3N4

Oxy hóa
Sau khi quá trình oxy hóa hoàn tất, lớp Si3N4 được rửa
trôi. Kết quả: hình thành một lớp oxide mỏng bị trống ở
chính giữa

Cấy tạp chất
Việc cấy tạp chất (cấy ion hoặc khuếch tán tạp chất)
được thực hiện để tạo ra một vùng ngược với loại của
bán dẫn ban đầu (ví dụ: ban đần ta sử dụng bán dẫn loại
N thì ta cấy tạp chất để tạo ra lớp bán dẫn loại P ở vùng
màu xanh). Lớp oxide đóng vai trò hấp thụ và ngăn chặn
tạp chất xâm nhập vào lớp nền ở bất cứ đâu trừ khu vực
bị trống

Tạo bề mặt kim loại
Một lớp kim loại được tạo nên ở mặt trên của miếng bán
dẫn. Lớp kim loại cũng được sử dụng kỹ thuật quang
khắc để lấy ra một phần ở vị trí tiếp xúc (để lấy tín hiệu
điện ra)

Tạo bề mặt kim loại
Một lớp kim loại được tạo nên ở mặt dưới của miếng bán
dẫn (để lấy tín hiệu điện ra ở cực còn lại)

Mặt cắt của cấu trúc
Sau bước tạo bề mặt kim loại, ta tạo được một cấu trúc
có mặt cắt như hình. Hai lớp kim loại còn được gọi là
điện cực (electrode). Trong đó, điện cực tiếp xúc với lớp
P là Anode và điện cực tiếp xúc với lớp N là Cathode

Nội dung

Mô hình hóa chuyển tiếp P-N
Mặc dù sau khi chế tạo theo công nghệ Planar, chuyển
tiếp P-N có hình dạng như Hình (a). Tuy nhiên, để tiện
phân tích ta mô hình hóa nó thành Hình (b)

Trong cấu trúc, có 2 loại chuyển tiếp là P-N và chuyển
tiếp M-S
Chuyển tiếp M-S (tiếp xúc Ohmic): đóng vai trò để
lấy điện. Chuyển tiếp thể hiện điện trở R ≈ 0 tức là
khi có dòng điện đi qua bất kỳ sẽ không tạo rơi áp.
Ta bỏ qua khi phân tích
Chuyển tiếp P-N (tiếp xúc chỉnh lưu): đây là chuyển
tiếp mang tính chất chính và là đặc trưng của các
linh kiện. Chuyển tiếp P-N có tính chất đặc trưng là
chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều cụ thể (từ
P sang N)

Nhờ tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện đi qua theo
chiều từ P sang N, mà diode được dùng chính trong các
mạch chỉnh lưu (mạch biến đổi dòng diện AC thành DC)
Dưới đây là một số hình vẽ thường dùng để phân tích
chuyển tiếp P-N. Hình (c) là mô hình 2D của hình (b) và
Hình (d) thường được sử dụng trong các mạch điện

Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp P-N

Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp P-N
Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp P-N có 3 vùng
Phân cực thuận (VD > 0): khi ta đưa điện áp vào A
cao hơn K. Ở vùng này, khi tăng VD thì ID có tăng
và có chiều từ A sang K
Phân cực ngược (−VZ < VD < 0): khi ta đưa điện
áp vào K cao hơn A. Ở vùng này, khi tăng VD thì
ID ≈ 0 có chiều từ K sang A (thường ta bỏ qua
dòng điện này)
Miền đánh thủng (VD < −VZ ): Nếu từ vùng phân
cực ngược, ta tiếp tục tăng biên độ VD lớn hơn VZ ,
dòng điện tăng đột ngột. Hiện tượng này được gọi
là đánh thủng chuyển tiếp (khảo sát ở phần sau)

Phân cực chuyển tiếp
Bản chất các miền hoạt động của chuyển tiếp P-N là
điện áp từ nguồn ngoài khi cấp vào chuyển tiếp ảnh
hưởng đến 1 vùng không gian trong chuyển tiếp gọi là
miền nghèo

Giả thiết khi phân tích chuyển tiếp
Khi giải thích hoạt động của chuyển tiếp P-N ta cần
quan tâm đến sự phân bố của nồng độ. Chọn gốc tọa độ
tại vị trí mặt phân cách của chuyển tiếp. Có 2 dạng phân
bố thường được sử dụng:
Chuyển tiếp bước (Phân tích chính)
Chuyển tiếp biến đổi đều (Đọc thêm)

Nội dung

Sự hình thành miền nghèo
Xét 2 miếng bán dẫn loại P và N nằm tách biệt nhau:
Bán dẫn P: Pha tạp chất Acceptor nên tạo nhiều lỗ
trống, ít electron (ion Acceptor bị ion hóa thành ion
âm)
Bán dẫn N: Pha tạp chất Donor nên tạo nhiều
electron, ít lỗ trống (ion Donor bị ion hóa thành ion
dương)

Khi ghép lại (tạo thành chuyển tiếp):
Lỗ trống tự do khuếch tán từ P sang N qua lớp tiếp
giáp, tạo dòng điện Jdiff ,p
Electron tự do khuếch tán từ N sang P qua lớp tiếp
giáp, tạo dòng điện Jdiff ,n

Sau khi qua lớp tiếp giáp:
Lỗ trống tự do tái hợp với electron tự do để lại ion
dương Donor bên N và ion âm Acceptor bên P
Các ion này tích tụ dần và tạo thành điện trường có
hướng từ N sang P

Điện trường sinh ra hạn chế sự khuếch tán của lỗ
trống và electron qua lớp tiếp giáp
Về mặt dòng điện, khi có điện trường E, dòng trôi
Jdrift,p của lỗ trống và Jdrift,n của electron được sinh
ra

Khi điện trường E tích lũy đủ lớn, lực cản sinh ra đủ
mạnh, ngăn hoàn toàn sự khuếch tán của lỗ và
electron tự do qua tiếp giáp
Lúc này, ở vùng quanh vị trí tiếp xúc sinh ra một
miền nghèo hạt dẫn tự do và chỉ chứa các ion tạp
chất (gọi tắt là miền nghèo)

Về mặt dòng điện, khi E đủ lớn, dòng trôi tăng dần
Tới khi dòng trôi bằng dòng khuếch tán, ta có miền
nghèo được hình thành và chuyển tiếp ở trạng thái
cân bằng

Ghi nhớ

Ghi nhớ
Miền nghèo còn được gọi là miền điện tích không
gian (SCR: space-charge region)
Miền nghèo gồm 2 phần nằm về 2 bên P và N:
trong đó phần bên P chứa ion âm và bên N chứa
ion dương
Kí hiệu: WP và WN lần được là kích thước miền
nghèo mỗi bên và W = WP + WN là kích thước
miền nghèo tổng
Vùng bán dẫn nằm 2 bên miền nghèo được gọi là
miền trung hòa (bên P và bên N) hoặc miền khối

Nội dung

Nhắc lại
Bán dẫn P có mức Fermi nằm lệch về dải hóa trị
Bán dẫn N có mức Fermi nằm lệch về dải dẫn

Mức Fermi của chuyển tiếp P-N
Ở trạng thái cân bằng, tổng dòng điện của từng thành
phần hạt dẫn bằng 0, tức là:
Jp = Jdrift,p + Jdiff ,p = 0
→ qµppE − qDp
dp
dx
= 0 → qµpp
1
q
dEi
dx
− q
kT
q
µp
dp
dx
= 0
Trong đó:
Dp =
kT
q
µp: Quan hệ Einstein
Cường độ điện trường: E =
1
q
dEi
dx

Mức Fermi của chuyển tiếp P-N
Mặt khác: p = ni.exp(
Ei − EF
kT
)
→
dp
dx
=
p
kT
(
dEi
dx
−
dEF
dx
)
Thế vào phương trình dòng điện, ta được:
Jp = µpp
dEF
dx
= 0
Hay:
dEF
dx
= 0 → Mức Fermi phải là hằng số trên
toàn bộ mẫu
Tương tự, với mật độ dòng điện tử, ta cũng có:
Jn = µnn
dEF
dx
= 0

Giản đồ dải năng lượng
Sau khi hình thành chuyển tiếp, đồ thị dải năng lượng bị
uống cong sao cho mức Fermi trên toàn bộ mẫu phải là
hằng số

Nội dung

Rào thế

Rào thế
Từ đồ thị dải năng lượng, khi tạo thành chuyển tiếp
P-N, với cùng một mức năng lượng (EC , EV hoặc Ei) thì
bên P cao hơn bên N. Điều này tạo nên sự chênh lệch về
điện thế giữa bên P và N.
Điện thế (khối) bên P: ψP = −
Ei − EF
q
< 0
Điện thế (khối) bên N: ψN = −
Ei − EF
q
> 0
Chênh lệch điện thế giữa P và N (hay rào thế):
Vbi = ψN − ψP = ψN + |ψP|

Đồ thị điện thế theo nồng độ

Rào thế

Rào thế
Cách giải thích khác về rào thế: Vì trong miền nghèo có
điện trường nên có sự chênh lệch về điện thế ψ giữa 2
bên của miền nghèo. Sử dụng điều kiện ở trạng thái cân
bằng, tổng dòng điện của từng thành phần hạt dẫn bằng
0, tức là:
Jp = Jdrift,p + Jdiff ,p = 0 → Jdrift,p = −Jdiff ,p
→ qµppE = qDp
dp
dx
→ qµpp(−
dψ
dx
) = qDp
dp
dx
→ −µp
R WN
−WP
dψ =
Dp
µp
R pn
pp
1
p
dp
→ ψ(WN) − ψ(WP) =
Dp
µp
ln(
pp
pn
)

Rào thế
Vbi = ψ(WN) − ψ(WP) =
Dp
µp
ln(
pp
pn
)
Trong đó: pp và pn lần lượt là nồng độ lỗ bên P và bên N
Ta có: pp = NA và pn =
n2
i
ND
, thế vào phương trình:
Vbi =
Dp
µp
ln(
NA.ND
n2
i
)
Rào thế (hay chênh lệch thế giữa 2 bên của miền nghèo):
Vbi =
kT
q
ln(
NA.ND
n2
i
)

Công thức tính khác của rào thế
Ngoài công thức trên, rào thế còn được tính bởi:
Vbi =
kT
q
ln(
pp
pn
) =
kT
q
ln(
nn
np
)
Trong đó:
pp và pn lần lượt là nồng độ lỗ bên P và bên N
pp = NA, pn =
n2
i
ND
np và nn lần lượt là nồng độ điện tử bên P và bên N
nn = ND, np =
n2
i
NA

Câu hỏi
Tại sao lại không thể sử dụng chuyển tiếp P-N như một
nguồn điện (pin)?

Nội dung

Sự phân số điện tích không gian

Đi từ miền trung hòa bên P tới miền nghèo, ta gặp
một vùng hẹp gọi là miền quá độ (transistion
region). Vùng này bao gồm các ion tạp chất và 1 số
ít các hạt dẫn tự do. Qua khỏi miền này, ta tới miền
nghèo (thật sự), không còn hạt dẫn tự do
Đối với các chuyển tiếp P-N xét trong môn này, bề
rộng miền quá độ rất nhỏ so với bề rộng miền
nghèo. Ta bỏ qua vùng này khi phân tích và thu
được hình xấp xỉ như sau

Gọi A là diện tích mặt cắt ngang của chuyển tiếp
Miền nghèo bên P
Thể tích VP = WPA
Tổng điện tích của ion âm (ion Acceptor):
QP = −qNAWPA
Miền nghèo bên N
Thể tích VN = WNA
Tổng điện tích của ion dương(ion Acceptor):
QN = +qNDWNA
Các ion ở 2 bên miền nghèo phải cân bằng:
QP + QN = 0 → −qNAWPA + qNDWNA = 0
NAWP = NDWN

NAWP = NDWN
Nếu NA >> ND → WN >> WP: miền nghèo hầu
như ở bên N. Ta gọi đây là chuyển tiếp bước p+n
Nếu ND >> NA → WP >> WN: miền nghèo hầu
như ở bên P. Ta gọi đây là chuyển tiếp bước pn+

Thông số phân tích miền nghèo
Để phân tích đặc tính của miền nghèo, ta cần quan tâm
đến sự phân bố của ion tạp chất theo không gian. Có 2
trường hợp (đã đề cập ở phần giả thuyết khi phân tích
chuyển tiếp) là chuyển tiếp bước và chuyển tiếp tuyến
tính

Thông số phân tích miền nghèo
Hình a: chuyển tiếp bước (phân tích chính). Do
thực tế, tạp chất phân bố tương đối đều ở mỗi bên
nên xấp xỉ thành tạp chất phân bố đều ở mỗi bên N
và P
Hình b: chuyển tiếp bước (đọc thêm). Sự phân bố
tạp chất có thể xấp xỉ bằng biến đổi đều tuyến tính
tức là sự phân bố tạp chất thay đổi tuyến tính khi đi
qua vị trí tiếp giáp

Phân tích miền nghèo chuyển tiếp bước
Phương trình Poisson:
d2
ψ
dx2
= −
dE
dx
= −
ρ
s
Do chuyển tiếp bước:
Trong vùng −WP ≤ x ≤ 0: ρ = −qNA
Trong vùng 0 ≤ x ≤ WN: ρ = qND

Trong vùng −WP ≤ x ≤ 0: ρ = −qNA
Thế vào pt Poisson:
dE
dx
=
−qNA
s
→ E(x) = −
qNA(x + WP)
s
Trong vùng 0 ≤ x ≤ WN: ρ = qND
Thế vào pt Poisson:
dE
dx
=
qND
s
→ E(x) =
qND(x − WN)
s
⇒ Điện trường phân bố trong miền nghèo có dạng hình
tam giác. Giá trị cực đại là:
Em =
qNDWN
s
=
qNAWP
s

Tìm rào thế Vbi: Vbi =
R Wn
−Wp
E dx hay chính là diện tích
tam giác tạo bởi E và trục hoành
Vbi =
1
2
EmW
Bề rộng miền nghèo: W =
2Vbi
s
W =
s
2s
q
(
1
NA
+
1
ND
)Vbi

Miền nghèo chuyển tiếp bước 1 bên
Bề rộng miền nghèo:
W =
s
2s
q
(
1
NA
+
1
ND
)Vbi
Chuyển tiếp bước p+n: NA ND
→ W ≈ WN =
r
2s
q
1
ND
Vbi
Chuyển tiếp bước pn+: NA ND
→ W ≈ WP =
r
2s
q
1
NA
Vbi

Miền nghèo chuyển tiếp bước 1 bên

Miền nghèo với phân cực

Ở trạng thái cân bằng (không phân cực): Rào thế
Vbi, bề rộng miền nghèo W
Phân cực thuận: Nguồn điện ngoài tạo điện trường
ngoài ngược chiều điện trường nội (tạo bởi miền
nghèo). Hai điện trường khử lẫn nhau và hệ quả là
bề rộng miền nghèo giảm
Phân cực ngược: Nguồn điện ngoài tạo điện trường
ngoài cùng chiều điện trường nội (tạo bởi miền
nghèo). Hai điện trường tăng cường lẫn nhau và hệ
quả là bề rộng miền nghèo tăng

Bề rộng miền nghèo:
W =
s
2s
q
(
1
NA
+
1
ND
)(Vbi − VAK )
Trong đó: VAK : điện áp lấy theo chiều từ A sang K
VAK 0: Phân cực thuận
VAK 0: Phân cực nghịch

Điện dung miền nghèo
Miền nghèo bản chất là hệ điện tích dương và âm được
đặt cố định và cách nhau 1 khoảng trong không gian. Do
đó, nó cũng có tham số điện dung để đặc trưng cho khả
năng tích điện (của ion tạp chất)
Định nghĩa CJ: là điện dung miền nghèo trên 1 đơn vị
diện tích mặt cắt ngang. Ta chứng minh được:
CJ =
s
W
Trong đó: W là bề rộng miền nghèo

Điện dung miền nghèo

Nội dung

Đặc tuyến I-V
Phương trình quan hệ ID và VD:
ID = IS.(exp(
VD
ηVT
) − 1)

Đặc tuyến I-V
Trong đó:
η: hệ số không lý tưởng (η = 1 nếu lý tưởng)
Dòng bão hòa ngược: IS = A(
qDp
LpND
+
qDn
LnNA
)n2
i
n2
i = NC NV exp(
−Eg
kT
)
IS phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ

Ảnh hưởng của đặc tuyến bởi vật liệu

Cơ chế hình thành dòng [Đọc thêm]

Khi không phân cực
Dòng lỗ: Jp = Jdrift,p + Jdiff ,p = 0
Dòng electron: Jn = Jdrift,n + Jdiff ,n = 0
Tổng dòng điện: J = Jp + Jn = 0

Khi phân cực ngược
Điện trường ở miền nghèo tăng nên:
Dòng lỗ: Jp 6= 0 và theo chiều Jdrift,p
Dòng electron: Jn 6= 0 và theo chiều Jdrift,n

Khi phân cực ngược, cường độ điện trường do
nguồn điện ngoài cùng hướng với cường độ điện
trường của miền nghèo nên hệ quả là làm tăng E
của miền nghèo
Khi E tăng, dòng điện trôi tăng và hạn chế dòng
điện khuếch tán. Hệ quả là dòng điện đi qua chuyển
tiếp có chiều từ N sang P (Cathode sang Anode)
Tuy nhiên khi E tăng, dòng điện trôi không tăng
mãi, do sự tái hợp hạt dẫn (xảy ra khi lỗ đi sang N,
electron đi sang P)

Khi phân cực thuận
Điện trường ở miền nghèo giảm xuống nên:
Dòng lỗ: Jp 6= 0 và theo chiều Jdiff ,p
Dòng electron: Jn 6= 0 và theo chiều Jdiff ,n

Khi phân cực thuận
Khi phân cực thuận, cường độ điện trường do nguồn
điện ngoài ngược hướng với cường độ điện trường
của miền nghèo nên hệ quả là làm giảm E của miền
nghèo
Khi E giảm, dòng điện trôi giảm và dòng điện
khuếch tán được tăng cường. Hệ quả là dòng điện
đi qua chuyển tiếp có chiều từ P sang N (Anode
sang Cathode)
Khi tăng điện áp phân cực tới giá trị VD = Vbi (hay
còn kí hiệu Vγ) thì điện trường triệt tiêu và lúc đó
bề rộng miền nghèo W = 0. Sau giai đoạn này, ID
tăng mạnh theo VD

Nội dung

Tài liệu tham khảo
1 Slides ECE340 - Semiconductor Electronics, UIUC
2 Slides ELEC 3908, Physical Electronics: Basic IC
Processing (4) and Planar Diode Fabrication (5)
3 S.M. Sze and M.K.Lee, Semiconductor Devices:
Physics and Technology 3rd Ed., John Wiley
Sons, 2010
4 Google

chapter4-1-Chuyen-tiep-PN.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to chapter4-1-Chuyen-tiep-PN.pdf

Similar to chapter4-1-Chuyen-tiep-PN.pdf (20)

More from LINHTRANHOANG2

More from LINHTRANHOANG2 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

chapter4-1-Chuyen-tiep-PN.pdf