大二下课件-半导体物理lesson

关键问题导出p-n结I-V特性的简单模型的主要近似影响p-n结I-V特性的主要因素p-n结I-V特－非平衡状态下的p-n－实际p-n结电流电压特均匀电阻的导外加偏压下的p-np-njunctionunder势垒高度：q(VD

外加偏压下的能带 反偏 正偏外加偏 流子的运热平衡电中性区I=正偏压对少子的势垒降低了在电中性区扩散复合RI～反偏压对少子的势垒增高了少子从SCR边界处抽在电中性区产生扩散GI～正偏压（Forward正偏压(V0)势垒区产生与内热平衡被扰I扩散I漂移，少子注入p区和n区，势 能准能级的变化可忽理想p-n结模理想p-n结满足的条 边界条件尔 理想p-n结的I-V特得到np,pnJpdJpdpJnqDdnJJ(x)J(x)J(x)J(x

EFp

Ei kBT kBT

p

EFp

nnexp

Ei kB

kBT

EFp

Ei

kBT

kBT k k expqVBkD Vexpp0 p(x) qVp(x) n0 k n(x) expn(x) expqVppp k qV n(x) ppp0 k 势垒边界处注入的少子浓例：考虑一处于温度T＝300K（ni=1.5x1010cm-3）Si的p-n结，假设ND＝1x1016cm-3V=0.60伏。求在空间电荷区边界少子空穴

ND

(1.51010

eV

pn

k

(2.2510)

正偏压下少子的扩(Awayfromthespacecharge扩散区的载流子连续性方xxn，连续性方程（稳态DDpd2(p)pdpppdEp0pDD2ppp边界条件: qV p(x) n0 k p(x)p(x) expnn01 kTxnLpfpLxfpLn(x)

x p0

kBT

电流的连续穴在x=xn的电流及电子在x=−xp处的电流xxn的漂移电流和电子在x=−xp漂移电流为零.J(x)J(x) pdp(q expqVn01Lpk JJ(x)qDdn(npnqDn expqVp01xpLnk 1k 1k qVsJJn(xp)Jp(xnJ(xn)Jn(xn)Jp(xnJsJsq pnpDnnnp0qpLnnpnp0qD Dnnpnp0Jp(x)和Jn(x)的空间变要点Jp(x)在n区随着少子空穴的复合而减这造成Jn(x)（虚线）等量的增(两端器件理想二极管方程(ShockleyqqV可以为负值（反偏压），若反偏压的绝对值大于kBT/q的数倍,反向电流基本不随反向偏压变化。Js成为反向饱和电流。

理想二极管的主要I-V特VVkBT/n(xp) iqVkBTVkBT/n(xp) p-n结的整流特正向偏压下：SCR边界处的载流子浓度指数增加→I~反向偏压下：SCR边界处的载流子浓度迅速减少到零（无法再小→I饱和(很小例：在一处于温度T＝300K（ni=1.5x1010cm-3）Si的p-n结上加一0.65伏的正偏压，假设NA＝ND＝1x1016cm-3,Dn=25cm-2/s,Dp=10cm-2/s,p0=n0=5x107s,r=11.7,n=1350cm2/(Vs)。确定 qn2

Dn

N iN

n0 ND J

eV JS

kBT

3.30A/JnqnNDE qnND

(1.61019)(1350)(1016

IDiNIDiNn NL pkBNA>>NDI 1/L扩散区越窄，电流越大 IDLvdiff温度的影 q实际p-n间接复合率（回顾UUNrr npn2i假定Et= 则n1=p1= rn=rp= UNrnpn niexp iniexp iEnEnpn2i nFkBT2iqVkTBpiEpiEEpiFG势垒区的产生G在反偏压下,可动的电子和空穴都被电场扫出势垒区np0，UGNt2 q 例题T300K一反向偏压下的p-n结具有如下参数qqqqqq 势垒区的复合电流（正偏压UNUNnpn2 npnpn2exp FEpikB在p和n的交界处，npqi

expqV

BTqqUqqU2exp2kT JrqU(x)dxqnpi2kBT正向偏压的总电JFJrJFdqpiJFJrJFdqpiND)qX np)mm mm mk JFDJr

2niLpNDX

2kBTEg大,nEg大,ni小,复合电流大→Ge较理想Si,GaAs势垒区复合和产生电流特正偏压势垒区复合而中性区复合实际p-n结：势垒区复合势垒区G/R～ni而中性区G/R～ni→E(SCR)≈Eg/2,而势垒区G/R对工艺很敏感，势垒G/R电流越小标志着工艺越“干净反偏压势垒区G～W→I～│V│1/2SCR:SpaceChargeRegionQNR:Quasi-neutralRegionpn(x)nnpn(x)nn(p+p+npn(xn)nn0dpn(x)dpn(x)dnn(VVVJVpJpqJpqppn(xn)E(xn)dpn(x qn(x)E(x)dn(n nnnx E(x) E(x) n(x dnn(xp(p(x)n(x)qVVJ n np kBTnexpqVkBT2ipp(x) pexpq(VDVJ)kJkTBBn(x) npkTBppn(xn)nn(xnpn(xn)niexpqV2kBTpn(xn)pn0