半导体器件物理之物理电流电压特性

半导体器件物理之物理电流电压特性第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一热平衡时,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，2023年，2月20日，星期一外加电压,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，2023年，2月20日，星期一根据电流密度方程: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，2023年，2月20日，星期一正向和反向偏置下的能带图、电势分布。6第6页，共35页，2023年，2月20日，星期一结上的静电势差：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，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一根据连续性方程，静态时,对N区:净复合率利用电中性（nn-nn0)~(pn-pn0)，结合爱因斯坦关系：乘以ppn乘以nnn+9第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一其中：小注入假设：n型区比较10第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一无电场的中性区,进一步简化：x=xn:边界条件:x=-xp:同理11第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一正向偏置状态:载流子分布和电流密度分布12第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一反向偏置状态:载流子分布和电流密度分布13第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一总电流：肖克莱方程，理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，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一3。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，2023年，2月20日，星期一电子-空穴对的产生率：有效寿命pn<ninn<ni

反向偏置下载流子发射耗尽区内的产生电流：耗尽层宽度只有能级Et靠近本征费米能级的产生中心,对产生率有显著贡献17第17页，共35页，2023年，2月20日，星期一突变结：若有效寿命随温度缓变,则产生电流与ni有同样的温度关系，线性缓变结：总的反向电流=中性区的扩散电流+耗尽区的产生电流：室温下：若ni很大（例如Ge)，扩散电流为主反向电流符合理想情况若ni很小（例如Si)，产生电流占优势高温下：扩散电流为主在给定温度下,产生电流正比于耗尽层宽度,耗尽层宽度又与外加反向偏压有关：18第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一实际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19第19页，共35页，2023年，2月20日，星期一正向偏置下：俘获过程

扩散电流+复合电流Jrec若Ei=Et,n=p=将代入复合率20第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一当电子与空穴的浓度和(n+p)为最小值时,复合率U在耗尽区达到最大:即Ei恰好位于EFn和EFp的中间:21第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一V>3kT/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：1<n<2.

复合电流：理想系数22第22页，共35页，2023年，2月20日，星期一实际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，2023年，2月20日，星期一正向偏置，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=x’24第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一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区少子浓度有关。26第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一工作在不同电流密度下Sip+-n结的载流子浓度，本征费米能级，准费米能级电流密度:10A/cm2103A/cm2104A/cm2p+-n结28第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一在大注入时，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，2023年，2月20日，星期一4。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，2023年，2月20日，星期一耗尽区边界的空穴密度小信号交流分量：

若V1<<kT/q=VT耗尽区边界的电子密度也类似：

直流分量交流分量耗尽区边界的空穴密度：

31第31页，共35页，2023年，2月20日，星期一将pn代入连续性方程，或：考虑到G=0，32第32页，共35页，2023年，2月20日，星期一边界条件：N型中性区宽度>>LP，可得到N型中性区空穴的交流分量：x=xn处，空穴电流