第二章 2.4-2.5 空间电荷区的复合、产生电流与隧道电流

2.4空间电荷区的复合电流空间电荷区的产生电流2.5隧道电流影响PN结伏安特性的因素正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，边缘的载流子浓度增加，以致于大于平衡载流子浓度（pn

>ni2）。这些过量的载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值。空间电荷区会有复合，即：空间电荷区内存在复合电流。一正向PN结空间电荷区复合电流ABCD:电子的注入电流，AB段：电子从N区注入到P区后，与在B点与从左方来的空穴C复合；A’B’C’D’:空穴的注入电流，A’B’段：空穴从P区注入到N区后，与在B’点与从右方来的电子C’复合；EFGH：PN结空间电荷区中复合中心造成的复合电流。空间电荷区内的复合电流正向PN结空间电荷区中的费米能级注入的扩散电流和空间电荷区中的复合电流的区别：复合地点不同；在电子或空穴扩散区中电子和空穴一个是多子，一个是少子，其浓度相差很大。在空间电荷区，位于禁带中央附近的复合中心能级处，有Et=Ei，即电子和空穴的浓度基本相等，所以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。复合电流定义为：空间电荷区的宽度载流子通过复合中心复合的复合率最大复合率（Et=Ei时）：（1-208）Et=Ei可得最大复合率：在低电流水平时，复合电流成分占优势。斜率增加，说明扩散电流在增加。在高电流水平，串联电阻造成的较大欧姆电压降支配着电流-电压特性。硅扩散结的电流-电压特性斜率变化扩散电流：扩散电流与复合电流的比较：若(ni

/Nd)越小，电压越低，则势垒区复合电流的影响越大。禁带宽度较小的半导体材料，ni

比较大。用硅制作的PN结：在小注入情况下，正向电流可能由势垒区的复合电流所控制，锗PN结：空间电荷区复合电流的影响可以忽略不计，正向电流按通常扩散电流的规律而变化。这两种材料做成的PN结，当电压增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。表明：P+N结？PN+结？NdPN结反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电荷区的载流子浓度低于平衡值（pn

<ni2）

，所以产生率大于复合率，净产生率不为零，空间电荷区内存在产生电流。体内扩散电流来自PN结两侧P区和N区内产生的电子和空穴，而空间电荷区中的产生电流，是指空间电荷区中复合中心产生出来的电子－空穴对形成的电流。二反向PN结空间电荷区产生电流CBAD:反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子A和空穴B，电子由A扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到N区流向右方，而空穴流向左方。C’B’A’D’空穴EFGH：PN结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场分别扫进N区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流。反向电流产生的物理过程空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，PN结空间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合中心数目增多，所以产生电流增大。U<0

意味着正的产生率，所形成的电流是空间电荷区产生的电流而不是复合电流：特点：三PN结表面复合和产生电流硅平面器件的表面都用SiO2层作掩模，这对PN结起保护作用，当SiO2层的存在对PN结有一定的影响，会引进附加的复合和产生电流，从而影响器件的性能。SiO2层中含有一定数量的正电荷（最常见的是由沾污引进的钠离子），表面电荷的存在会吸引或排斥半导体的载流子，从而在表面形成一定的空间电荷区。当表面电荷足够强时，就会把P型硅表面附近的空穴排斥走，形成一个由电离受主构成的空间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。（1）表面电荷引起表面空间电荷区表面空间电荷区中的复合中心会引起附加的复合电流和反向产生电流。空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大，和PN结本身的空间电荷区宽度变化类似。当表面空间电荷区中电荷的数量和氧化层电荷相等时，宽度就不再变化。在交界面处，往往存在着一定数量的、位于禁带中的能级，称为界面态（或称为表面态）。它们和体内的杂质能级类似，能够接受、放出电子，可以起到复合中心的作用。界面态的产生和复合作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，会引起PN结的附加的复合和产生电流。（2）Si-SiO2交界面的界面态当P型衬底的杂质浓度较低，SiO2层中的正电荷较多时，衬底表面将形成反型层，这个反型层与N＋型扩散层连起来，使PN结面积增大，因而反向电流增大。表面沟道电流（3）表面沟道电流当PN结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等引起表面沾污，如同在PN表面并联一个附加电导，而引起表面漏电，使反向电流增加。表面漏导电流（4）表面漏导电流四串联电阻的影响为了满足硅片机械强度的要求，对其厚度有一定要求；同时为了满足击穿电压的要求，低掺杂区的电阻率又不能太低，所以PN结的体电阻较大。当结电流流过串联电阻时，在串联电阻上存在电压降IRS。从而使得实际施加在PN结上的电压下降。由于电压与电流成对数关系，当结电流足够大时，电压随电流增加变化不大，而串联电阻上的压降明显增加。当电流足够大时，外加电压的增加主要降落在串联电阻上，电流电压近似成线性关系。采用外延层结构：选择电阻率很低、掺杂浓度很高的硅片作为衬底N＋，在衬底上外延生长一层很薄的、掺杂浓度较低的N型外延层。在外延层上制作PN结。这样既减小了体电阻，又可满足反向击穿电压的需要。解决的办法：五大注入的影响硅PN结的正向大电流超过一定范围时正向电流的实际值比理论计算值要低，其原因是因为小注入的条件遭到破坏。将注入非平衡少子浓度接近等于或大于平衡多子浓度的情况，称为大注入。在大注入时，PN结电流－电压特性将发生变化。注入P区的非平衡少子的浓度已接近等于或大于平衡多子浓度，即：Δn(xp)>=pp0

，注入P区的非平衡少子电子将产生积累，为了维持电中性要求必然要求多子空穴也有同样的积累，即有Δnp(xp)=Δpp(xp)，且与少子具有相同的浓度梯度。多子空穴存在浓度梯度，必然使空穴产生扩散趋势，一旦空穴离开，P区的电中性就被破坏，在P区建立了一个电场E,

称为大注入自建电场。显然：该电场的方向是阻止空穴扩散，却加速了电子的扩散。以PN＋为例：此时，PN＋结正向电流－电压关系修正为：小注入电流比较PN+N区的掺杂浓度远大于P区的掺杂浓度，N区的平衡多子浓度远大于P区的平衡多子浓度，即：nn0>>pp0，则有：np0>>pn0

。因此：小注入电流：思考：对于P+N？（1）在小注入时，少子电子在P区只作扩散运动，忽略了P区电场的作用；在大注入时，电场的作用对电子的漂移作用不能忽略。若将漂移运动等效为扩散运动，相当于加速了扩散运动，使等效扩散系数增加一倍。（2）大注入时，正向电流随电压的增加上升缓慢。这是因为外加电压不是全部降落在势垒区，而是有一部分降落在P区，以建立P区的自建电场，维持多子积累，保持电中性。（3）大注入时，空穴电流密度与P区杂质浓度无关。因为注入的少子浓度比P区杂质浓度高得多。六隧道电流当P侧N侧均为重掺杂时，有些载流子可能穿透（代替越过）势垒而产生额外的电流，这种机制称为量子力学的隧道效应。（1）费术能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有较高的隧道穿透率；（3）在相同的能量水平上，在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空状态。条件：当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体，这些条件就得到满足各种偏压条件下隧道结的能带图图(a)

1、绝对零度（0K）和没有外加偏压时：费米能级以下的状态都被占据，费米能级以上的状态都是空的（1）隧道电流的产生N侧导带中一些电子的能量被提高到与P侧空状态相对应的水平，电子可能隧道穿透结势垒以产生电流。图(b)各种偏压条件下隧道结的能带图2、施加正向偏压时：电流的大小：受穿透电子数和空状态的限制图(c)在该偏压条件下，隧道电流最大。进一步增加正向偏压，电流将减小：P侧能容纳隧道穿透电子的空状态变少。图(d)隧道电流为零。在反向偏压时，反向隧道电流随着反偏压的增加而增加。图(e)3、施加反向偏压时：思考？（2）隧道二极管除隧道电流外，扩散电流在高的偏压下变得更为重要。包括隧道电流分量和扩散电流分量的结电流电压特性－－隧道二极管隧道/江崎二极管1973年诺贝尔物理学奖得主LeoEsaki

（3）反向二极管若掺杂密度稍予减少，使得正向隧道电流可以忽略不计。反向二极管1、隧