Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4, Phần 1: Chuyển tiếp PN (PN Junction)

1Chương 4
Chuyển tiếp PN
(PN Junction)
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT
BMĐT
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Môn học: Dụng cụ bán dẫn
2• Trong chương này, chúng ta khảo sát vật liệu bán dẫn đơn tinh thể 
chứa cả 2 miền loại N và P mà tạo thành chuyển tiếp p-n (p-n 
junction). Phần lớn các chuyển tiếp p-n hiện đại được làm bằng 
công nghệ planar (được mô tả ở phần 4.1).
• Chuyển tiếp p-n đóng 1 vai trò quan trọng trong cả các ứng dụng 
điện tử hiện đại và việc hiểu các dụng cụ bán dẫn khác. Nó được 
dùng rộng rãi trong chỉnh lưu dòng điện, chuyển mạch (mạch xung) 
và các hoạt động khác trong các mạch điện tử. Nó là khối xây dựng 
cơ bản cho BJT và thyristor, cũng như cho MOSFET. Với các điều 
kiện phân cực đúng hoặc khi được ánh sáng chiếu vào, chuyển tiếp 
p-n cũng có chức năng như dụng cụ vi-ba (microwave) hoặc dụng 
cụ quang điện tử.
• Chúng ta cũng xét dụng cụ liên hệ, chuyển tiếp dị thể 
(heterojunction), đây là chuyển tiếp được tạo từ 2 bán dẫn khác 
nhau. Chuyển tiếp dị thể là khối xây dựng quan trọng cho BJT 
chuyển tiếp dị thể, FET được pha tạp chất có điều chế 
(MODFET=modulation doped field effect transistors), dụng cụ hiệu 
ứng lượng tử, và dụng cụ quang điện tử.
• Và ta cũng khảo sát các loại diode bán dẫn khác và các ứng dụng 
của chúng.
3Cụ thể ta sẽ khảo sát các chủ đề sau:
• Sự tạo thành chuyển tiếp p-n.
• Hoạt động của miền nghèo khi có phân cực điện áp.
• Dòng điện trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của các quá 
trình sinh và tái hợp.
• Điện tích chứa trong chuyển tiếp p-n và ảnh hưởng của với hoạt 
động quá độ.
• Sự nhân đánh thủng trong chuyển tiếp p-n và tác động của nó 
lên điện áp ngược cực đại.
• Đặc tuyến dòng-áp (I-V).
• Các mô hình của diode bán dẫn.
• Chuyển tiếp dị thể và các đặc tính cơ bản của nó.
• Các loại diode bán dẫn.
• Các ứng dụng của diode bán dẫn 
44.1 Các bước chế tạo cơ bản
• Ngày nay người ta sử dụng nhiều công nghệ planar để chế tạo IC. 
Các hình 1 và 2 cho thấy các bước chính của quá trình planar. 
Các bước này (theo thứ tự) gồm có oxy hóa (oxidation), quang 
khắc (lithography), cấy ion (ion implanation), và kim loại hóa 
(metallization).
(a) Phiến bán dẫn (wafer) Si loại N.
(b) Phiến bán dẫn Si được 
oxy hóa khô hay ướt.
(c) Cho chất cản quang (resist) lên.
(d) Phơi sáng chất cản quang (Resist exposure) 
qua mặt nạ (mask).
Hình 1
5Hình 2 (a) Wafer sau khi 
được rửa xong 
(development). 
(b) Wafer sau khi lấy đi 
phần SiO2 không mong 
muốn. 
(c) Kết quả sau cùng của 
quá trình quang khắc. 
(d) Chuyển tiếp p-n được 
tạo ra bằng quá trình 
khuếch tán hoặc cấy ion. 
(e) Wafer sau khi được 
kim loại hóa. 
(f) Chuyển tiếp p-n sau 
quá trình đầy đủ.
64.1.1 Oxidation
• Oxide Silic (SiO2) chất lượng cao được sử dụng nhiều trong chế 
tạo IC. Tổng quát SiO2 có chức năng như chất cách điện trong 
1 số cấu trúc dụng cụ hoặc như rào chắn sự khuếch tán hay 
cấy trong chế tạo dụng cụ. 
• Trong chế tạo chuyển tiếp p-n (Hình 1), màng SiO2dùng để định 
nghĩa diện tích chuyển tiếp.
• Có 2 phương pháp tăng trưởng SiO2: oxy hóa khô và ướt, phụ 
thuộc vào việc sử dụng oxy khô hay hơi nước bốc hơi. Oxy hóa 
khô thường được dùng để tạo oxide mỏng trong cấu trúc dụng 
cụ do nó giao tiếp Si-SiO2 tốt, trái lại oxy hóa ướt được dùng 
cho các lớp dày hơn do tốc độ tăng trưởng nhanh. Hình 1a cho 
1 phần của phiến bán dẫn Si chuẩn bị cho oxy hóa. Sau quá 
trình oxy hóa, một lớp SiO2 được tạo thành trên toàn bộ bề mặt 
wafer. Hình 1b cho thấy bề mặt phía trên của wafer bị oxy hóa.
74.1.2 Lithography (quang khắc)
• Một công nghệ khác, đgl là quang khắc (photolithography), được dùng để 
định nghĩa dạng hình học của chuyển tiếp p-n. Sau khi tạo thành lớp SiO2, 
wafer được phủ bằng vật liệu nhạy với ánh sáng tia cực tím (UV) đgl chất 
cản quang (photoresist) mà được ép lên bề mặt wafer bằng máy quay tốc 
độ cao. Sau đó (hình 1c),wafer được nung ở 80-100oC để lấy dung môi ra 
khỏi chất cản quang và làm cứng nó để cho kết dính tốt hơn. 
• Hình 1d cho thấy bước kế tiếp, phơi sáng wafer qua 1 mặt nạ có khuôn với 
nguồn sáng UV.Vùng được phơi sáng của wafer có phủ chất cản quang sẽ 
có phản ứng hóa học, tùy theo loại chất cản quang. 
• Diện tích được ánh sáng chiếu vào trở nên bị polymer hóa và vùng này 
được giữ nguyên khi cho wafer vào máy rửa, trái lại vùng không có ánh 
sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan và trôi đi. Hình 2a cho thấy wafer sau khi qua 
máy rửa.
• Wafer lại được nung đến 120-180oC trong 20 phút để tăng cường sự kết 
dính và cải thiện sự chịu đựng với quá trình khắc tiếp theo. Rồi việc khắc 
dùng hydrofluoric acid (HF) lấy đi bề mặt SiO2 không có bảo vệ bởi chất 
cản quang (hình 2b) Sau cùng chất cản quang được loại đi bằng dung dịch 
hóa học hay hệ thống pasma oxy. Hình 2c cho thấy kết quả sau cùng của 
miền không có oxide (cửa sổ) sau quá trình quang khắc. Wafer lúc này sẵn 
sàng cho việc tạo chuyển tiếp p-n bằng quá trình khuếch tán hay cấy ion.
84.1.3 Khuếch tán và cấy ion
• Trong phương pháp khuếch tán, bề mặt bán dẫn không 
được bảo vệ bởi oxide được phơi ra cho nguồn có nồng độ 
cao có tạp chất ngược lại. Tạp chất đi vào tinh thể bán dẫn 
do khuếch tán. 
• Trong phương pháp cấy ion, tạp chất được đưa vào bán dẫn 
bằng cách gia tốc những ion tạp chất đến mức năng lượng 
cao và cấy các ion vào bán dẫn. Lớp SiO2 làm rào chắn sự 
khuếch tán tạp chất hay cấy ion. 
• Sau quá trình khuếch tán hay cấy ion, chuyển tiếp p-n được 
tạo thành như ở hình 2d. Do khuếch tán tạp chất hoặc cấy 
ion theo chiều ngang, bề rộng của miền p hơi lớn hơn phần 
cửa sổ
94.1.4 Metallization (kim loại hóa)
• Sau quá trình khuếch tán hay cấy ion, người ta dùng quá 
trình kim loại hóa để tạo nên các tiếp xúc Ohm và các kết nối 
(hình 2e). Các màng mỏng kim loại có thể được tạo nên 
bằng lắng đọng hơi vật lý và lắng đọng hơi hóa học 
(chemical vapor deposition=CVD).
• Một lần nữa người ta dùng quá trình quang khắc để định 
nghĩa tiếp xúc phía trước (hình 2f).
• Thực hiện kim loại hóa tương tự cho phần tiếp xúc phía sau 
không dùng quá trình quang khắc. Thông thường 
• Việc nung ủ nhiệt độ thấp (<=500oC) sẽ làm cho có tiếp xúc 
điện trở thấp giữa lớp kim loại và bán dẫn. 
• Khi hoàn tất quá trình kim loại hóa thì ta có thể sử dụng các 
chuyển tiếp p-n được rồi.
10
4.2 Điều kiện cân bằng nhiệt
• Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là chỉnh lưu 
dòng điện, nghĩa là chúng cho phép dòng điện chạy dễ dàng 
chỉ theo 1 hướng. Do đó dụng cụ đầu tiên từ chuyển tiếp p-n là 
diode chỉnh lưu (rectifier diode)
• Hình 3 cho thấy đặc tuyến dòng-áp của chuyển tiếp p-n tiêu biểu 
với bán dẫn Si. Khi ta đưa “phân cực thuận” (forward bias) vào 
chuyển tiếp (nghĩa là điện áp dương vào bên P), dòng điện tăng 
nhanh khi điện áp tăng. 
• Tuy nhiên, khi ta đưa “phân cực ngược” (reverse bias) vào, thì 
gần như không có dòng điện chạy qua. Khi tăng phân cực 
ngược thì dòng điện ở giá trị rất nhỏ cho đến khi đạt đến điện áp 
tới hạn, ở điểm đó dòng điện tăng đột ngột. Sự tăng đột ngột 
này trong dòng điện được gọi là đánh thủng chuyển tiếp 
(junction breakdown). Điện áp thuận đưa vào thường < 1 V, 
nhưng điện áp tới hạn, hoặc điện áp đánh thủng có thể thay đổi 
từ vài Volt đến nhiều ngàn Volt phụ thuộc vào nồng độ tạp chất 
và các tham số dụng cụ khác.
11
Cách nhận biết sự phân cực ở 
chuyển tiếp PN
• Dựa trên VP – VN: (VP là thế ở đầu Anode và VN là thế ở đầu 
Cathode) 
» < 0 : phân cực ngược (REVERSE BIAS )
» = 0 : không có phân cực hay cân bằng
» > 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS)
12
Hình 3 Đặc tuyến dòng-áp (đặc tuyến I-V) của chuyển tiếp p-n tiêu biểu 
với bán dẫn Si.
13
Giả thiết khi phân tích
1. Chuyển tiếp PN loại bước
2. Dùng mô hình điện tích không gian bước
14
Mô hình điện tích không gian bước
(Miền khối)
(Miền khối)
P N
15
4.2.1 Giản đồ dải năng lượng
Hình 4 (a) Các bán dẫn (được pha tạp chất đều) loại P và N trước khi tạo thành chuyển tiếp.
(b) Điện trường trong miền nghèo (depletion region) và giản đồ dải năng lượng của chuyển 
tiếp p-n ở điều kiện cân bằng nhiệt.
• Mức Fermi
– Gần dải dẫn ( loại N)
– Gần dải hóa trị (loại P)
• Gắn lại với nhau
– Điện tử được khuếch tán 
– Lỗ khuếch tán 
• Để lại 
– Ion donor dương (ND+), bên phải
– Ion acceptor âm (NA-), trái
• Tạo nên điện trường 
• Tạo nên điện thế.
• Miền điện tích không gian
Chuyển tiếp PN ở cân bằng nhiệt
• Có 2 miền trung hòa 
(neutral) và miền điện 
tích không gian SCR 
(“space-charge” region). 
• Miền SCR cũng được 
gọi là miền nghèo 
(“depletion region” ) do 
nghèo (không có) các 
hạt dẫn tự do.
Space-charge
regionneutral neutral
16
17
4.2.2 Những mức Fermi cân bằng
(Equilibrium Fermi levels)
Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất 
bằng zero.
với
Thì
Tương tự, ta có mật độ dòng điện tử: 
Như vậy, với điều kiện dòng điện tử và lỗ bằng 
không, mức Fermi phải là hằng số (nghĩa 
là độc lập với x) trên toàn bộ mẫu thử 
như được minh họa trong giản đồ Hình 4b.
hoặc
18
Rào thế Vbi (Bult-in potential)
• Mức Fermi không đổi ở cân bằng nhiệt dẫn đến sự phân bố điện tích không gian duy 
nhất ở chuyển tiếp. Sự phân bố điện tích không gian duy nhất và thế tĩnh điện được 
cho bởi phương trình Poisson:
Ở đây ta giả sử rằng tất cả các donor và acceptor đều bị ion hóa.
• Trong những miền cách xa chuyển tiếp do luyện kim, sự trung hòa điện tích được duy 
trì và tổng mật độ điện tích không gian là không. Đối với các miền trung hòa, ta có thể 
đơn giản hóa (7) thành:
và
• Đối với miền trung hòa bên P, ta giả sử rằng ND=0 và p>>n. Thế tĩnh điện của miền 
trung hòa bên P so với mức Fermi, được gọi là p (xem hình 5b) và có thể tính được 
bằng cách đặt ND = n = 0 trong (9) và bằng cách thay kết (p = NA ) vào (2):
• Tương tự ta cũng có thế tĩnh điện n của miền trung hòa bên N so với mức Fermi
• Chú ý: Phương trình (2):
19
Rào thế Vbi (Bult-in potential)
• Hiệu điện thế tĩnh điện giữa miền trung hòa bên P và bên N ở 
cân bằng nhiệt được gọi là điện thế nội (built-in potential) hay 
rào thế Vbi
• Chú ý: 
– Người ta còn gọi Vbi với các tên khác là thế chuyển tiếp, thế tiếp xúc, 
hoặc điện áp khuếch tán (diffusion voltage)
– Một số TLTK khác sử dụng ký hiệu j (j=junction) thay cho Vbi
– Hệ quả: Quan hệ giữa hạt dẫn đa số - thiểu số:
với pn0 là nồng độ lỗ của bán dẫn N ở cân bằng nhiệt
 
 Tbinp
Tbipn
VVnn
VVpp
/exp
/exp
00
00
20
Hình 5 
(a) Chuyển tiếp p-n với sự pha 
tạp chất thay đổi đột ngột tại 
chuyển tiếp luyện kim. 
(b) Giản đồ dải năng lượng của 
chuyển tiếp bước ở cân bằng 
nhiệt. 
(c) Sự phân bố điện tích không 
gian. 
(d) Xấp xỉ hình chữ nhật cho sự 
phân bố điện tích không gian
21
4.2.3 Điện tích không gian
• Đi từ miền trung hòa tới chuyển tiếp, ta gặp 1 miền quá độ 
hẹp như ở hình 5c. Ở đây điện tích không gian của các ion 
tạp chất được bổ chính 1 phần bởi các hạt dẫn tự do. Vượt 
qua miền quá độ ta đi vào miền hoàn toàn nghèo (hạt dẫn tự 
do) ở đó mật độ hạt dẫn tự do là không. Đây được gọi là 
miền nghèo (còn được gọi là miền điện tích không gian). 
Với các chuyển tiếp p-n tiêu biểu trong Si và GaAs, bề rộng 
của mỗi miền quá độ nhỏ hơn nhiều bề rộng của miền 
nghèo. Do đó, ta có thể bỏ qua miền quá độ và biểu diễn 
miền nghèo bằng phân bố hình chữ nhật như trong hình 5d, 
với xp và xn chỉ bề rộng miền nghèo bên P và bên N (hoặc 
WP và WN) với miền nghèo hoàn toàn có p = n =0. Phương 
trình 7 trở thành
22
Hình 6 Các điện thế nội bên P và bên N của chuyển tiếp bước 
trong Si và GaAs là hàm của nồng độ tạp chất.
Độ lớn của p và n theo (10) và (11) được vẽ trong hình 6 như hàm 
của nồng độ pha tạp vào Si và GaAs. Với nồng độ tạp chất cho trước, 
thế tĩnh điện của GaAs thì cao hơn của Si vì nó có nồng độ hạt dẫn nội 
tại ni nhỏ hơn.
23
Thí dụ 1: Tính rào thế Vbi với chuyển tiếp p-n Si có NA = 
1018 cm-3 và ND = 1015 cm-3 ở 300 K.
Bài giải. Từ phương trình 12, ta có
cũng từ hình 6
24
4.3 Miền nghèo (depletion region)
• Để giải phương trình Poisson (13), ta phải biết sự phân bố 
tạp chất. Trong phần này ta xét 2 trường hợp quan trọng –
chuyển tiếp bước(abrupt junction) và chuyển tiếp biến đổi 
tuyến tính(linearly graded junction). 
• Hình 7a cho thấy chuyển tiếp bước là chuyển tiếp được tạo 
bởi khuếch tán cạn hay cấy ion năng lượng thấp. Sự phân 
bố tạp chất của chuyển tiếp có thể xem xấp xỉ là thay đổi đột 
ngột của nồng độ tạp chất giữa các miền N và P. 
• Hình 7b cho thấy chuyển tiếp biến đổi tuyến tính. Khi cho
khuếch tán sâu hay cấy ion năng lượng cao, profile tạp chất 
có thể xấp xỉ bằng chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính, nghĩa 
là sự phân bố tạp chất thay đổi tuyến tính qua chỗ chuyển
tiếp. Ta xét miền nghèo của cả 2 loại chuyển tiếp này.
25
Hình 7 Miền nghèo
• Chuyển tiếp bước (Abrupt 
junction)
– Chuyển tiếp PN được tạo thành bằng 
khuếch tán cạn hoặc cấy ion năng 
lượng thấp.
– Sự phân bố tạp chất
» Xấp xĩ bằng sự chuyển đột ngột 
nồng độ pha tạp giữa miền N và P.
• Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến 
tính
– Khuếch tán sâu hoặc cấy ion năng 
lượng cao.
– Sự phân bố tạp chất thay đổi tuyến tính 
ở chỗ chuyển tiếp PN.
26
Chuyển tiếp bước (Abrupt junction)
với
với
với
Với
Điện trường cực đại Em Bề rộng miền nghèo W
 miền 
nghèo
miền P
trung hòa
 miền N
trung hòa
27
Chuyển tiếp bước 1 bên
(One-sided abrupt junction)
Trường giảm xuống zero tại x=W, do đó
 nghĩa là
Với NB là nồng độ khối được 
pha tạp chất ít (nghĩa là ND với 
chuyển tiếp p+-n)
28
29
Miền nghèo với phân cực
• Phân cực thuận (Forward 
bias)
– Vbi-VF
– Bề rộng miền nghèo W 
• Phân cực ngược (Reverse 
bias)
– Vbi+VR
– Bề rộng miền nghèo W 
Với V là điện áp đặt vào diode:
• phân cực thuận V = VF > 0
• phân cực ngược V = -VR < 0
30
Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính
Với a là nồng độ tạp chất [cm-3] và W là bề rộng miền nghèo [cm]
Sự phân bố tạp chất
Sự phân bố điện trường
Sự phân bố điện thế 
theo khoảng cách
Giản đồ dải năng lượng
31
Rào thế 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