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

pdf 44 trang ngocly 18/05/2021 1220
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_4_chuyen_tiep_pn_pn_junctio.pdf

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ

  1. 9/29/2010 ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) 1 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 11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn 2 1
  2. 9/29/2010 4.1 Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm tổng quát 3 Các chuyển tiếp PN bước và biến đổi đều • Chuyển tiếp PN là 1 dụng cụ hai cực. • Dựa vào đồ thị pha tạp chất , người ta có thể chia các chuyển tiếp PN thành 2 nhóm chính: - các chuyển tiếp bước - các chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính ND N A ND N A ax bên p bên n bên p bên n Chuyển tiếp bước Chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính (Step or abrupt junction) (Linearly-graded junction) 4 2
  3. 9/29/2010 Nhận biết sự phân cực ở tiếp xúc PN • Dựa trên VP – VN: (VP là thế ở đầu Anode và VN là thế ở đầu Cathode) » 0 : phân cực thuận (FORWARD BIAS) 5 Sự tạo thành chuyển tiếp PN (1/2) Evac = mức năng lượng chân không 6 3
  4. 9/29/2010 Sự tạo thành chuyển tiếp PN (2/2) 7 4.2 Điều kiện cân bằng nhiệt 8 4
  5. 9/29/2010 Điều kiện cân bằng nhiệt (1) • Đặc tính quan trọng nhất của các chuyển tiếp p-n là sự chỉnh lưu dòng điện, nghĩa là chúng cho phép dòng dễ dàng chạy theo chỉ 1 chiều. Hình sau cho thấy đặc tuyến dòng-áp của 1 chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu. • Khi ta đưa "phân cực thuận" vào chuyển tiếp (điện áp dương vào phía P), dòng điện tăng nhanh theo điện áp tăng. Tuy nhiên khi đưa vào "phân cực ngược", không có dòng điện chạy qua. • Khi phân cực ngược tăng, dòng điện giữ không đổi trị rất nhỏ cho tới khi đạt đến điện áp tới hạn mà tại đó dòng tăng đột ngột. Sự tăng đột ngột ở dòng điện này được gọi là đánh thủng chuyển tiếp (junction breakdown). Điện áp thuận được đưa vào thường < 1V, nhưng điện áp tới hạn ngược, hay điện áp đánh thủng, có thể thay đổi từ vài volts đến hàng ngàn volts phụ thuộc vào nồng độ pha tạp chất và các tham 9 số dụng cụ khác. Điều kiện cân bằng nhiệt (2) Đặc tuyến dòng-áp của 1 chuyển tiếp p-n Si tiêu biểu. 10 5
  6. 9/29/2010 Giả thiết khi phân tích 1. Chuyển tiếp PN loại bước 2. Dùng mô hình điện tích không gian bước 11 Mô hình điện tích không gian bước (Miền khối) (Miền khối) P N 12 6
  7. 9/29/2010 Giản đồ dải năng lượng (Band diagram) • Mức Fermi • Để lại + – Gần dải dẫn ( loại N) – Ion donor dương (ND ), bên phải - – Gần dải hóa trị (loại P) – Ion acceptor âm (NA ), trái • Gắn lại với nhau • Tạo nên điện trường – Điện tử được khuếch tán • Tạo nên điện thế. – Lỗ khuếch tán • Miền điện tích không gian 13 Mức Fermi cân bằng (Equilibrium Fermi level) Ở cân bằng nhiệt, các dòng điện tử và lỗ chạy qua các chuyển tiếp thì đồng nhất bằng zero. Thì hoặc Tương tự, mật độ dòng điện tử: với Như vậy, với điều kiện dòng điện tử và lỗ bằng không, mức Fermi phải là hằng số. 14 7
  8. 9/29/2010 (A) Chuyển tiếp bước ở cân bằng nhiệt: EC (a) Điện áp nội (Built-in voltage) Vbi: qVbi E i (còn gọi là thế nội B) EF EV qVbi Ei EF p EF Ei n bên p bên n n n exp E E k T W n0 i  F i B  (x) p n exp E E k T qN p0 i  i F B  + D kBT p p0nn0 N AND - Vbi ln VT ln -qNA x 2 2 q ni ni V (x) Vbi E(x) x (b) Quan hệ giữa hạt dẫn đa số - thiểu số: p p exp V /V x p xn n0 p0  bi T  n n exp V /V  Emax x p0 n0 bi T 15 (c) Bề rộng miền nghèo (Depletion region width): Giải phương trình Poisson bậc nhất dùng xấp xỉ miền nghèo, với các điều kiện biên sau: V( xp ) 0, V ( x n ) V bi , E ( xp ) E ( x n ) 0 bên p: 2 qN A Vp() x x x p 2 bên n: S qN D 2 Vn() x x n x V bi 2 S Sử dụng sự liên tục của 2 nghiệm tại x=0, và sự trung hòa điện tích, để có được biểu thức cho miền nghèo W: xn x p W  2 S (NNV A D ) bi VVp(0) n (0)  W qNAD N NA x p N D x n  16  S = hằng số điện môi của bán dẫn 8
  9. 9/29/2010 (d) Điện trường cực đại: Điện trường cực đại, sẽ xảy ra ở chuyển tiếp luyện kim, được cho bởi: dV qNAD N W Emax dxx 0  SAD() N N (e) Sự thay đổi nồng độ hạt dẫn: 15 10 15 3 ] N N 10 cm -3 A D 1013 Wcalc 1.23 m 1011 n [cm-3] Emax( DC) 9.36 kV / cm -3 9 p [cm ] 10 Emax(sim) 8.93 kV / cm 107 Concentration [cm 105 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] 17 1015 0 14 -2 ] 5x10 -3 -4 0 -6 (x)/q [cm (x)/q 14 -5x10 -8 Electric [kV/cm] Electric field -1015 -10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Distance [m] Distance [m] 18 9
  10. 9/29/2010 1017 10 0 5x1016 -10 ] -3 -20 0 -30 -40 (x)/q [cm (x)/q -5x1016 -50 -60 Electric field [kV/cm] Electric -1017 -70 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Distance [m] Distance [m] 19 (B) Equilibrium analysis of linearly-graded junction: 1/3 12ks0 Vbi V (a) Depletion layer width: W qa qaW 2 (c) Maximum electric field: Emax 8ks0 2 2 1/ 3 qaks 0 (d) Depletion layer capacitance: C 12 Vbi V Based on accurate numerical simulations, the depletion layer capacitance can be more accurately calculated if Vbi is replaced by the gradient voltage Vg: 2 2 a ks0VT Vg VT ln 3 3 8qni 20 10
  11. 9/29/2010 4.3 Miền nghèo (Depletion region) 21 Miền nghèo (Depletion region) • 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. 22 11
  12. 9/29/2010 Chuyển tiếp bước (Abrupt junction) với miền miền P miền N nghèo trung hòa trung hòa với với Với 23 Điện trường cực đại Em Bề rộng miền nghèo W Chuyển tiếp bước 1 bên (One-sided abrupt junction) nghĩa là Trường giảm xuống zero tại x=W, do đó Với NB là nồng độ khối được pha tạp chất ít (nghĩa là ND với chuyển tiếp p+-n) 24 12
  13. 9/29/2010 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 25 • phân cực ngược V = -VR < 0 Linearly graded junction 26 13
  14. 9/29/2010 Built-in potential 27 4.4 Điện dung miền nghèo 28 14
  15. 9/29/2010 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) 29 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/ (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 30 15
  16. 9/29/2010 Đặc tuyến điện dung-điện áp • Với chuyển tiếp bước 1 bên • Phân cực ngược – Điện dung chuyển tiếp • Phân cực thuận – Điện dung khuếch tán » Từ hạt dẫn chuyển động – Điện dung chuyển tiếp 2 • Đồ thị của 1/Cj theo V là đường thẳng, Độ dốc của đường thẳng này cho biết nồng độ tạp chất NB của miền nền 2 • Phần giao (tại 1/Cj =0) cho Vbi 31 Example 4 32 16
  17. 9/29/2010 (f) Điện dung lớp nghèo (Depletion layer capacitance): Xét chuyển tiếp p+n, hay chuyển tiếp 1 bên, sẽ có W: 2k  V V W s 0 bi qND Điện dung miền nghèo được tính bằng: dQ qN dW qN k  1 2(V V ) C c D D s 0 bi 2 dV dV 2(Vbi V ) C qNDks0 2 1 C Thiết lập đo lường: 1 slope  ND W dW Phân cực ngược Phân cực thuận vac ~ V V Vbi V 33 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 2 vẽ 1/Cj theo V. 2 Độ dốc của đồ thị = d(1/Cj )/dV, cho nồng độ N(W) 34 17
  18. 9/29/2010 Diode biến dung (Varactor=Varicap) Sử dụng tính chất điện dung miền nghèo thay đổi theo điện áp phân cực ngược: với 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 35 4.5 Đặc tuyến dòng-áp 36 18
  19. 9/29/2010 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 37 4.5.1 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng 38 19
  20. 9/29/2010 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng: 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: W EC qV EFn EFp EV 39 xp xn (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: (x x ) / L V /VT n p pn (x) pn0(e 1)e (x x ) / L V /VT p n np (x) n p0(e 1)e n p (x) pn ( x) Miền điện tích Phân cực thuận không gian W pn0 n p0 x x p xn Phân cực ngược 40 20
  21. 9/29/2010 • Tương ứng với những mật độ dòng khuếch tán: qD p (x x ) / L diff p n0 V /VT n p J p (x) (e 1)e Lp qD n (x x ) / L diff n p0 V /VT p n Jn (x) (e 1)e Ln Mô hình Shockley diff diff Jtot J p (xn ) Jn ( x p ) diff drift majority J diff J drift majority J p J p n n J tot diff diff minority J p minority J n x x p xn Không có tái hợp trong miền SCR 41 Phân bố của hạt dẫn thiểu số được bơm vào Mật độ dòng điện tử và lỗ [lý tưởng] (J = I/A) 42 Phân cực thuận Phân cực ngược 21
  22. 9/29/2010 (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: I diff diff Itot I p (xn ) In ( x p ) Ge Si GaAs D p D n qA p n0 n p0 eV /VT 1 Lp Ln V • Dòng bão hòa ngược (Reverse saturation current) IS: D p D n D D I qA p n0 n p0 qAn2 p n s i Lp Ln Lp N D Ln N A 43 Đặc tuyến dòng-áp lý tưởng (a) Đồ thị tuyến tính (b) Đồ thị semilog 44 22
  23. 9/29/2010 (d) Nguồn gốc của dòng điện: Phân cực thuận Phân cực ngược W EC EC Ln qV q V V q Vbi V bi qV EFp E Fn EV EFp EFn EV Lp W Dòng bão hòa ngược là do các hạt dẫn thiểu số bị thu thập qua khoảng cách cỡ chiều dài khuếch tán. 45 (e) Dòng điện hạt dẫn đa số: • Xét một diode được phân cực thuận dưới các điều kiện bơm mức thấp : Tính tựa trung hòa cần: n (x) n n (x) p (x) nn0 n n Điều này dẫn đến: p (x) n diff Dn diff pn0 Jn (x) J p (x) x Dp xn • Dòng lỗ tổng cộng trong miền tựa trung hòa (quasi-neutra regions): tot diff drift diff J p (x) J p (x) J p (x) J p (x) 46 23
  24. 9/29/2010 • Dòng trôi điện tử trong miền tựa trung hòa: D 1 J diff (x) J n 1 J diff (x), E(x) J diff (x) n tot p n Dp qn(x)n drift J n (x) J tot tot diff drift J n (x) J n (x) J n (x) diff diff J n (x) J p (x) diff J p (x) x diff J n (x) 47 (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. 48 24
  25. 9/29/2010 4.5.2 Những hiệu ứng sinh-tái hợp và sự bơm [vào] mức cao 49 Những tính chất không lý tưởng trong chuyển tiếp PN: (A) Những dòng điện sinh và tái hợp J scr  Phương trình liên tục của lỗ: p 1 J p G R t q x p p  Trạng thái xác lập và quá trinh không có ánh sáng: p t 0, Gp 0 • [Mật độ] Dòng tái hợp tại SCR : xn xn dJ p (x) J p (xn ) J p ( x p ) q Rpdx x p x p xn J scr q Rpdx x p 50 25
  26. 9/29/2010 Các điều kiện phân cực ngược: • Nồng độ n và p có thể được bỏ qua trong miền nghèo: 2 ni ni Et Ei Ei Et R , g  p exp n exp  pn1 n p1 g kBT kBT Thời gian sống để sinh hạt dẫn • Dòng SCR thực ra là dòng sinh: qniW qniW J scr J gen J gen  Vbi V g g • Dòng bão hòa ngược tổng cộng: V /VT J J s e 1 J scr  J s J gen V VT 51 • Dòng sinh thắng thế khi ni nhỏ, đây là trường hợp thường thấy trong các diode Si và GaAs. I (log-scale) EC E V (log-scale) Fp AJ EV s EFn AJgen W Đặc tuyến I-V dưới Các hạt dẫn sinh ra bị điều kiện phân cực ngược quét ra khỏi miền nghèo 52 26
  27. 9/29/2010 Các điều kiện phân cực thuận: • Nồng độ n và p lớn trong miền nghèo: 2 V /VT 2 V /VT ni e 1 np ni e R  p n n1 n p p1 • Điều kiện để tốc độ tái hợp cưc đại: V / 2VT Thời gian sống tái hợp n p nie 2 V /VT ni e ni V / 2VT Rmax e , rec  p n n p pn rec • Ước lượng dòng tái hợp: max qniW V / 2VT J scr e rec 53 • Biểu thức chính xác cho dòng tái hợp: qni V / 2VT 1 qND 2Vbin V Jscr e ,  VT , Enp rec 2 Enp ks0 • Các sửa đổi với mô hình: qni V / mrVT J scr e rec • Dòng thuận tổng cộng: V /VT qni V / mrVT V / VT J J s e 1 e J s,eff e 1 rec  hệ số lý tưởng (ideality factor). Những sai biệt của  với 1 cho biết dòng tái hợp. 54 27
  28. 9/29/2010 • 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) AJscr AJ V AJd • 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. 55 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. 56 28
  29. 9/29/2010 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 57 Điện trở nối tiếp RS Miền nghèo At higher current level, the effect of series resistance kicks in Needs a larger applied voltage to achieve the same level of current 58 29
  30. 9/29/2010 Ảnh hưởng của điện trở nối tiếp 59 Đặc tuyến semilog của dòng điện diode ở phân cực thuận 60 30
  31. 9/29/2010 4.6 Các mô hình của diode bán dẫn 61 Các mô hình diode (chưa xét đến đánh thủng ngược) Mô hình diode lý tưởng Mô hình sụt áp hằng Mô hình với điện trở thuận (xấp xỉ bậc 1) (xấp xỉ bậc 2) (xấp xỉ bậc 3) • VON=0.7V với Si • là điện trở thuận = dV/dI tại điểm Q (có V >V ) = V /I rD DQ ON T DQ 62 31
  32. 9/29/2010 Các 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 – Điện trở AC trung bình: rd = ∆VD/ ∆ID (từ điểm đến điểm) Điện trở động r Điện trở AC trung bình Điện trở tĩnh RD d 63  Mô hình tín hiệu nhỏ (Small Signal Model): VDT /nV ĐặThec diodetuyến I-V dò ngcharacteristics:-áp (I-V): ID I s e assumegiả sử VV D T VForới anđi ệinstantaneousn áp tức thờ ivoltage vD (t): v D (t) V D v d (t) Thìthen tawe có have dò ngthe đi instantaneousện áp tức th currentời là iD (t): vd (t)/nV T iDD (t) I e nghỉa là giả sử tín hiệu nhỏ Nếuif vd (t)/nV T 1, that is, a small signal assumption vd (t)/nV T vd (t) ID iD (t) I D e I D (1  ) I D v d (t) nVTT nV Nếu Since iD (t) I D i d (t) DC AC; WeTa có can cá chave thành the ph ACần i -i-vv AC components: ID id (t) v d (t) nVT So,Vì v weậy, canta có also điệ nhave trở tí then hi small-signalệu nhỏ resistance (or the incremental resistance) vd (t) nVT rd Ω id (t) I D 64 32
  33. 9/29/2010 Circuit Model Categories of Circuit I-V Models: • Exponential (physical); • Piecewise Linear; Non-Linear Model • Constant Voltage Drop; • Ideal-diode; • Small signal (linear approximation); Reference : Table 3_1 65 66 33
  34. 9/29/2010 67 68 34
  35. 9/29/2010  Ideal-diode Model: i 0, for v 0 OFF i any positive value 0, for v 0 ON P N 69  Example of the Branch Current Calculation : (based on the ideal-diode model) 70 35
  36. 9/29/2010 i  Constant Voltage Drop Model: v i 0, for v 0.7 OFF 0.7V i any positive value 0, for v 0.7 ON 9.3mA 0.7V 71  Piecewise Linear Model: i 0, for v VD,0 OFF V VD,0 i , for v VD,0 ON rD 9.1mA VD,0 72 36
  37. 9/29/2010  Terminal Characteristics of a Real Diode: •Real I-V in normal scale 73 * The forward - bias diode current : v/nvt v/nvt i Is (e 1) Ise where Is is the saturation current or the scale current; v t is the thermal voltage ( 25mV); n is the ideal factor. For two diode currents I1 and I2 , we can have I2 I2 V2 V1 nVtln 2.3n Vt log10 I1 I1 74 37
  38. 9/29/2010  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. •See the practice before! 75 -14 Ex. Using the fact that a silicon diode has Is=10 A at 25 C and that Is increases by 15% per C rise in temperature, find the value of Is at 125 C. Sol : 14 Is 10 A @ 25 C Is ? A @ 125 C (T 25 ) 1 Is (T) (1 15%) Is (25 ) 100 14 8 Is (125 ) (1.15) 10 1.174 10 (A) 76 38
  39. 9/29/2010  A Real I-V model, Graphical Analysis, and Iterative Analysis: Diode I-V i For the set of (VD , I D ), the load line is V V VDD/R I DD D D R v VDD 77 •Graphical Analysis: read out the intersection point directly! 78 39
  40. 9/29/2010 •Iterative Analysis: Device I-V + Load Line Current Conservation. V D (Ex.3.4) practice. Diode I - V : ID Is exp nVt V V Load I - V : I DD D D R Original guess 79  Small Signal Model: VD/nVt The diode I - V characteristics: ID Ise assume VD Vt For an instantaneous voltage vD (t) : vD (t) VD vd (t) then we have the instantaneous current iD (t) : vd (t)/nVt iD (t) IDe if vd (t)/nVt 1, that is, a small signal assumption vd (t)/nVt vd (t) ID iD (t) IDe ID (1 ) ID vd (t) nVt nVt Since iD (t) ID id (t) DC AC; We can have the AC i - v components : ID id (t) vd (t) nVt So, we can also have the small-signal resistance (or the incremental resistance) vd (t) nVt rd Ω id (t) ID 80 40
  41. 9/29/2010 Resistance levels • DC or Static resistance • AC or Dynamic resistance • Average AC resistance 81 DC or Static resistance 82 41
  42. 9/29/2010 AC or Dynamic resistance Forward bias region: • The resistance depends on the amount of current(ID) in the diode. • The voltage across the diode is fairly constant(26 mA for 25 C). • rB ranges from a typical 0.1 Ohms for high power device to 2 Ohms for low power, general purpose diodes. Reverse bias region: • The resistance is infinite. The diode acts like an open. 83 AC or Dynamic resistance(cont’d) 84 42
  43. 9/29/2010 Average AC resistance 85 86 43
  44. 9/29/2010 Diode specification sheets 87 44