半导体器件物理之物理电流电压特性

1、半导体器件物理之物理电流电压特性第1页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二正向和反向偏置下的能带图、电势分布和载流子浓度分布2第2页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二热平衡时,波耳兹曼关系: 本征能级电势费米能级电势热平衡时3第3页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二外加电压, 结两侧的少数载流子密度变化, 电子和空穴的准费米能级 正向偏置反向偏置4第4页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二根据电流密度方程: 同理: 电子和空穴的电流密度正比于各自的准费米能级梯度 热平衡状态: 5第5页，共35页，2022年，5月20日

2、，1点43分，星期二正向和反向偏置下的能带图、电势分布。 6第6页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二结上的静电势差： P型一侧耗尽区边界x=-xp的电子浓度: n型一侧耗尽区边界x=xn的空穴浓度: 理想电流电压方程最重要的边界条件。 PN结边界处的非平衡少数载流子浓度: 正向偏压时,边界的少数载流子浓度比平衡时要大,反向偏压时要小.7第7页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二正向和反向偏置下的能带图和载流子浓度分布 8第8页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二根据连续性方程，静态时, 对N区: 净复合率利用电中性（nn-nn0) (pn

3、-pn0)，结合爱因斯坦关系： 乘以 ppn 乘以 nnn +9第9页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二其中： 小注入假设：n型区 比较 10第10页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二无电场的中性区,进一步简化： x=xn: 边界条件:x=-xp: 同理 11第11页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二正向偏置状态: 载流子分布和电流密度分布12第12页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二反向偏置状态: 载流子分布和电流密度分布 13第13页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二总电流： 肖克莱方程，理

4、想二极管定律 理想的电流-电压特性 (a)线性坐标，(b)半对数坐标 14第14页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二温度对饱和电流密度的影响: p+-n单边突变结: 施主浓度ND, 都与温度有关与指数项相比,前面一项与温度的关系并不重要. 反向, |JR|JS,电流按照 关系随温度增加; 正向, 电流大致按 变化. 15第15页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二3。电流-电压特性产生-复合过程 表面效应表面离子电荷 耗尽层内载流子的产生和复合大注入串联电阻效应大的反向电场，结的击穿偏离理想情形 反向偏置下 耗尽区主要的复合-产生过程 载流子发射过程 产生

5、与复合过程对电流-电压特性的影响: 正向偏置下 耗尽区主要的复合-产生过程 载流子俘获过程 产生-复合速率 16第16页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二电子-空穴对的产生率： 有效寿命 pnni nn3kT/q时，有： 总的正向电流： 实验结果一般可用经验公式： 复合电流占优势：n=2， 扩散电流占优势：n=1, 两种电流相当：1n2 . 复合电流： 理想系数22第22页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二实际Si二极管的电流-电压特性产生-复合电流区扩散电流区大注入区串联电阻效应产生=复合与表面效应等引起的反向漏电流23第23页，共35页，2022年，

6、5月20日，1点43分，星期二正向偏置，大电流密度 少数载流子密度与多数载流子密度可以比拟，在注入区产生电场和载流子的漂移运动。 3。电流-电压特性大注入条件 p+-n结正向大注入效应P区n区载流子密度X=0n(x)p(x)EX=x24第24页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二必须同时考虑电子和空穴的漂移和扩散电流分量。 空穴电流密度： 此区间的电子电流密度： 可以求出漂移电场： 大注入使扩散系数加倍25第25页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二N区有电场，则结区以外的区域产生压降，使得加在结上的电压降低。结区压降N区压降大注入时，结上的压降与外电压和n

7、区少子浓度有关。26第26页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二由于在结区以外的压降，大注入使电流-电压关系改变，由原来的exp(qV/kT)，变成exp(qV/2kT)27第27页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二工作在不同电流密度下Si p+-n 结的载流子浓度，本征费米能级，准费米能级电流密度: 10A/cm2 103A/cm2 104A/cm2p+-n结28第28页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二在大注入时，还要考虑与准中性区和欧姆接触的电阻相联系的串联电阻效应 为减少PN结的体电阻，采用外延方法,可大大降低串联电阻效应. 串

8、联电阻效应串联电阻使得中性区上的压降IR 降低了耗尽区的偏压. 理想电流降低一个因子，使电流随电压的上升而变慢 。当电流足够大时，外加电压的增加主要降在串联电阻上，电流-电压近似线性关系。 29第29页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二4。扩散电容 反向偏置耗尽层电容占据了结电容的大部分， 正向偏置中性区少数载流子密度的再分布对结电容有贡献 -扩散电容 。 正向偏置 + 一小的交流信号： 总电压： 总电流： 电压和电流密度的小信号振幅 可得到耗尽区边界的电子和空穴密度随时间的变化。 将总电压代入如下方程, 30第30页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二耗尽区边界的空穴密度小信号交流分量： 若 V1LP ，可得到N型中性区空穴的交流分量 ： x=xn 处，空穴电流密度 ： 33第33页，共35页，2022年，5月20日，1点43分，星期二总交流电流密度 ： 交流导纳 ： x=