第五講 理想pn結(jié)直流伏安特性

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1、雙極性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices第五講理想pn結(jié)直流伏安特性一．理想pn結(jié)模型1.理想pn結(jié)模型近似條件1)耗盡層近似：空間電荷區(qū)的邊界存在突變，并且耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體區(qū)域是電中性的。耗盡層不存在多余的離散離子；2)載流子的統(tǒng)計分布采用波爾茲曼分布近似；3)小注入假設(shè)Low-levelinjection：即注入的少數(shù)載流子濃度小于多數(shù)載流子濃度，摻雜都離化；4)在耗盡層內(nèi)不存在產(chǎn)生-復(fù)合電流，并且在整個耗盡層內(nèi)，電子電流和空穴電流恒定：PN結(jié)內(nèi)的電流處處相等；PN結(jié)內(nèi)的電子電流與空穴電流分別為連續(xù)函數(shù)；耗盡區(qū)內(nèi)的電子電流與空

2、穴電流為恒定值；2.近似條件(2)（玻爾茲曼分布）的應(yīng)用：外加偏執(zhí)電壓下勢壘區(qū)邊界處載流子濃度：(1)平衡時邊界處載流子濃度上一章的式(7.10)給出了內(nèi)建電勢差的表達式，即??NNdaVV?ln??bit2n??i將上式的兩邊除以V?kTe/，兩邊取對數(shù)，可得t2n???eVibi?exp??NNad??kT(8.1)假設(shè)雜質(zhì)完全電離，則有nN?nd0(8.2)其中n為n區(qū)內(nèi)多子電子的熱平衡濃度。在p區(qū)，可以寫出n02nin?p0Na(8.3)其中n為p區(qū)內(nèi)少子電子的熱平衡濃度。將式(8.2)與式(8.3)代入(8.1)，可得p0???eVbinn?exp??p

3、n00??kT雙極性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices上式將熱平衡狀態(tài)下p區(qū)內(nèi)少子電子的濃度與n區(qū)內(nèi)多子電子的濃度聯(lián)系在了一起。同理，n區(qū)少子空穴與p區(qū)多子空穴濃度的關(guān)系：???eVbipp?exp??np00??kT(2)平衡時邊界處載流子濃度正偏時，式(8.4)中的V可由?VV??代替，那么式(8.4)可以寫為bibia????eV?biVa????eVbi??eVa?n??nexp??nexp??exp??p0n0n0??kT?kT??kT?(8.5)由于我們采用了小注入假設(shè)，多子電子的濃度n基本上保持不變。但是少子濃度n0n

4、會偏離其熱平衡值好幾個數(shù)量級。由式(8.4)及式(8.5)，可以寫出p0??eVann?exp??pp0??kT(8.6)同理，得到正偏時n區(qū)少子空穴濃度：??eVapp?exp??nn0??kT(8.7)由此，我們確定了勢壘邊界少子濃度的大小二．理想PN結(jié)直流伏安特性的定性分析1.零偏情況電子在擴散過程中“遇到”的勢壘阻止了高濃度電子流流向p去并使其滯留在n區(qū)內(nèi)。同樣，空穴在擴散過程中“遇到”的勢壘阻止了高濃度的空穴流向n區(qū)并使其滯留在p區(qū)內(nèi)。勢壘維持了熱平衡。pn結(jié)處于平衡狀態(tài)，V?0，I?0。a雙極性器件物理PhysicsofSemiconductorDev

5、ices2.正偏情況（V?0）a(1)正偏情況下載流子運動特點和電流大小此時，p區(qū)內(nèi)的費米能級要低于n區(qū)的費米能級，總的勢壘高度降低了。降低累的勢壘高度意味著耗盡區(qū)內(nèi)的電場也隨著減弱。減弱了的電場意味著電子空穴不能分別滯留在n區(qū)和p區(qū)。于是pn結(jié)內(nèi)有了一股由n區(qū)經(jīng)空間電荷區(qū)向p區(qū)擴散的電子流。同樣pn結(jié)內(nèi)有一股由p區(qū)經(jīng)空間電荷區(qū)向n區(qū)擴散的空穴流。電荷的流動形成了電流；(2)正偏電壓增加導(dǎo)致電流急劇增加V增加，減小勢壘高度，電流呈指數(shù)規(guī)律增加。a3.反偏情況（V?0）a(1)反偏情況下載流子運動特點和電流大小由(8.6)與式(8.7)給出的空間電荷區(qū)邊緣少子濃度的

6、表達式，是在正偏電壓（V?0）a的條件下推出的。但是我們應(yīng)當(dāng)注意，V也是可以取負值的(反偏)。當(dāng)反偏電壓達a到零點幾伏時，由式(8.6)及式(8.7)可知，空間電荷區(qū)邊緣處的少子濃度已經(jīng)接近于零。反偏條件下的少子濃度低于熱平衡值。(2)反偏電壓絕對值增加情況下反向電流基本不變pn結(jié)二極管的理想I-V特性4.結(jié)論：PN結(jié)二極管具有單向?qū)щ娦匀硐隤N結(jié)直流伏安特性定量分析雙極性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices1.分析思路：由理想模型得到I?I?x??I?x??I?x??I??x?pnpnpp**注意長二極管假設(shè)J??Jx()Jx(

7、)pn?nJ??Deen?Ennn?x?pJ??en?EDepnp?x因此，需要知道P區(qū)少子電子濃度，n區(qū)少子空穴濃度。2.I-V特性定量分析(1)基本方程2?p?p?p?E?pnnnn?D???E?p??gp2ppnpn?t?x?x?x?p2?n?n?n?E?npppp?D???E?n??gn2nnpnp?t?x?x?x?n條件：a.均勻摻雜、突變結(jié)：222??ppnn???ppnn0?????222?x?x?x222??nnpp???nnpp0?????222?x?x?x雙極性器件物理PhysicsofSemiconductorDevicesb.小注入多子濃度

8、等于熱平衡