电子科技大学-半导体物理及器件-教学课件微电子器件ppt.ppt

平衡时的载流子浓度可表示为平衡时的载流子浓度可表示为iF0iFi0i( )( )exp( )( )expE xEpxnkTEE xnxnkT 在平衡状态时，存在统一的费米能级在平衡状态时，存在统一的费米能级 EF ，即电子与空穴有，即电子与空穴有相同的费米能级，并且费米能级在半导体内处处相等。相同的费米能级，并且费米能级在半导体内处处相等。200i( )( )nx pxn 平衡平衡 PN 结的能带图结的能带图biqVCECEiEiEFEFEVEVEN区区P区区 在非平衡情形，不存在统一的费米能级，但同一种粒子在在非平衡情形，不存在统一的费米能级，但同一种粒子在同一地点的能量分布仍与费米分布函数形式相同，为了能用类同一地点的能量分布仍与费米分布函数形式相同，为了能用类似描述平衡状态的公式来描述非平衡状态的载流子浓度分布，似描述平衡状态的公式来描述非平衡状态的载流子浓度分布，引入了引入了 的概念。的概念。 设设 分别为空穴与电子的准费米能级，且均可随分别为空穴与电子的准费米能级，且均可随 x 而变化，则非平衡状态时的空穴和电子浓度仍可表示为而变化，则非平衡状态时的空穴和电子浓度仍可表示为iFpiFnii( )( )( )exp( )( )( )expE xExp xnkTExE xn xnkT 比较以上两式可知，耗尽区中两种准费米能级之差为比较以上两式可知，耗尽区中两种准费米能级之差为FnFp( )( )ExExqV2i( )( )expqVn xp xnkT 由第由第 2.1 节已知在耗尽区中节已知在耗尽区中FnFp2i( )( )( )( )expExExn xp xnkT 外加正向电压时的外加正向电压时的 PN 结能带图结能带图耗尽区中，耗尽区中，这个差值就是势垒高度比平衡时降低的数值。这个差值就是势垒高度比平衡时降低的数值。FnFp,0EEqVV耗尽区中同样有耗尽区中同样有这个差值就是势垒高度比平衡时增高的数值。这个差值就是势垒高度比平衡时增高的数值。FnFp,0EEqVV 外加反向电压时的外加反向电压时的 PN 结能带图结能带图 PN 结在正向电压下，势垒区的两侧均有非平衡少子注入。结在正向电压下，势垒区的两侧均有非平衡少子注入。以以 N 区为例，当有区为例，当有 pn 注入时，由于静电感应作用，在注入时，由于静电感应作用，在 N 区会区会出现相同数量的出现相同数量的 nn 以使该区仍保持大体上的以使该区仍保持大体上的 。N 区少子区少子 N 区多子区多子 且且 nn0nnn0npppnnnnnnp nn0pp0pnnp在在 N 区中区中 xn 附近，附近， 或在或在 P 区中（区中（- - xp）附近，附近， nnnpn0DnN2in0DnpNxN 区区 这时非平衡多子可以忽略，即这时非平衡多子可以忽略，即nn0nnnn0nn0ppppnnnn nx 在在 N 区中区中 xn 附近，附近，或在或在 P 区中（区中（- - xp）附近，附近， nn0pp0pnnpnnnpn0DnN2n0iDpn NN 区区nxx 当当 N 区发生大注入时，区发生大注入时，在在 xn 处，处， 由上式可知，由上式可知，pn = nn 或或 nn pn = pn2 另一方面，已知在有外加电压时，耗尽区中（包括耗尽区另一方面，已知在有外加电压时，耗尽区中（包括耗尽区边界处）的载流子浓度乘积为边界处）的载流子浓度乘积为nn0nnnn0nn0nnppppnnnnpp FnFp222nniinexpexpEEqVn pnnpkTkT 同理，当同理，当 P 区发生大注入时在区发生大注入时在 - -xp 处，处， 式式（2-90a）和（）和（2-90b）就是大注入下的结定律，也是就是大注入下的结定律，也是大注大注入下入下少子浓度的边界条件之一。少子浓度的边界条件之一。ppiexp2qVnxnkT 于是可得当于是可得当 N 区发生大注入时在区发生大注入时在 xn 处，处，nniexp2qVpxnkT（2-90b）（2-90a）N 区区n( )pxn( )nxEx 当当 N 区发生大注入时，在耗尽区附近的区发生大注入时，在耗尽区附近的 N 区中有区中有 nn = pn ，但由于电子不可能象空穴那样从但由于电子不可能象空穴那样从 P 区得到补充，所以电子的浓区得到补充，所以电子的浓度梯度将略小于空穴的浓度梯度。度梯度将略小于空穴的浓度梯度。 它使空穴向右作它使空穴向右作漂移运动，加强了原有的扩散运动；同时使电子向左作漂移运漂移运动，加强了原有的扩散运动；同时使电子向左作漂移运动，抵消了原有的扩散运动。利用动，抵消了原有的扩散运动。利用 Jn = 0 的条件可求出的条件可求出 。nnnnnd0dnJqDqn Ex令令得得nnnnd1dDnEnx pnpnd1dDppx N 区区n( )pxn( )nxEx 这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，这个现象称为这个现象称为 。 nnpppnpdd2ddppJqDqp EqDxx 将大注入自建电场将大注入自建电场代入代入空穴电流密度方程，得空穴电流密度方程，得 利用利用 N 区的大注入少子边界条件来求解扩散方程，可得到区的大注入少子边界条件来求解扩散方程，可得到 N 区内的少子分布为（以区内的少子分布为（以 xn 处作为坐标原点）处作为坐标原点）nnipp( )(0)expexpexp2xqVxpxpnLkTL 将大注入的将大注入的 pn(x) 表达式代入表达式代入 Jp 中，得中，得 同理，若同理，若 P 区发生大注入时的电子电流为区发生大注入时的电子电流为 由此可见，当发生大注入时，由此可见，当发生大注入时，PN 结的电流电压关系为结的电流电压关系为 这时，这时，PN 结的结的 lnI V 特性曲线的斜率，将会从特性曲线的斜率，将会从 。 pipp2exp2qD nqVJLkTninn2exp2qD nqVJLkTkTqVI2exp（2-94）（2-95） 注入的程度取决于外加电压的大小。设由小注入向大注入注入的程度取决于外加电压的大小。设由小注入向大注入过渡的过渡的 （） , ,则通过令小注入和大注入则通过令小注入和大注入的空穴电流密度表达式相等，可解得的空穴电流密度表达式相等，可解得 N 区的转折电压为区的转折电压为 iDKN22lnNkTVqn 同理可得同理可得 P 区的转折电压为区的转折电压为 iAKP22lnNkTVqn问问 VKN 与与 VKP 各为多少？当外加电压各为多少？当外加电压 V = 0.80 V 时，时，pn(xn) 与与np(-xp) 各为多少？各为多少？ 某硅突变结的某硅突变结的153183DA1.5 10 cm ,1.5 10 cm ,NN 解：解： 对于对于 N 区，区，V VKN ，为大注入，为大注入， 对于对于 P 区，区，V VKP ，为小注入，为小注入，DKNiAKPi22ln0.617V22ln0.976VNkTVqnNkTVqn163nni()exp7.2 10 cm2qVpxnkT153ppp0()exp3.5 10 cmqVnxnkT3、4、6、7、8、20、24、31、34、39思考题：思考题：1、2、9、13、16、17、18、28、33