2021-2022学年高二物理竞赛课件：非平衡PN结的少子分布.pptx

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1、非平衡PN结的少子分布非平衡PN结的少子分布1.准费米能级载流子在能带中的分布遵从费米分布函数。热平衡状态系统具有统一的费米能级。非（热）平衡状态载流子在能带中的分布不遵从费米分布函数。系统不具有统一的费米能级。准平衡状态接近平衡状态所需的时间远小于非平衡少子的寿命。仿照平衡载流子的分布来分析非平衡载流子的统计分布。非平衡态N型半导体 电子为多子，空穴为少子总的非平衡电子浓度与总的平衡电子浓度差不多。电子的准费米能级与平衡态下的费米能级差不多。非平衡态P型半导体 空穴为多子，电子为少子总的非平衡空穴浓度与总的平衡空穴浓度差不多。空穴的准费米能级与平衡态下的费米能级差不多。空穴的准费米能级与平衡

2、态下的费米能级相差较远。电子的准费米能级与平衡态下的费米能级相差较远。外加直流正向电压的情况下，PN结的非平衡少数载流子和准费米能级变化PN结的N区和P区都有非平衡少子的注入。费米能级将随位置的不同而变化。在空穴扩散区内（n区扩散区）。电子浓度大，电子费米能级变化不大；空穴浓度小，空穴费米能级变化很大。非平衡空穴衰减为零时，电子和空穴的费米能级重合。在电子扩散区内（P区扩散区）。空穴浓度大，空穴费米能级变化不大；电子浓度小，电子费米能级变化很大。非平衡电子衰减为零时，电子和空穴的费米能级重合。（反向电压的讨论方法相同，下面只讨论正向直流电压。）2.非平衡少子分布由 ，得到：其中，所以：稳态时，

3、空穴扩散区中非平衡少子的连续方程为：该方程的解为：式中，是空穴的扩散长度。由边界条件确定系数A，B。边界条件：同理，对于注入P区的非平衡电子可以求得：外加正向偏压且偏压一定时，势垒边界非平衡少子浓度一定，扩散区形成稳定的边界浓度，为边界浓度一定的一维扩散，扩散区的非平衡少子满足指数衰减规律。外加反向偏压时，如果N区内部，则 （1）小注入条件（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多）（2）突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷由电离失主和电离受主构成，耗尽层外为电中性，注入的少数载流子在P区和N区是纯扩散运动。（3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考

4、虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。（4）玻尔兹曼边界条件，耗尽层两端，载流子分布满足玻尔兹曼分布。当PN结满足以上假设条件时，其具体的直流特性具体可按照以下四个步骤进行：1.外加电压使边界处能带变动了qV，非平衡空穴为：肖克莱方程针对正向偏压和反向偏压同时适用。令：则：理想PN结的电流电压方程，又称为肖克莱方程1.PN结具有单向导向性。2.温度对电流密度的影响很大。对于反向电流密度-Js，两相的情况相似，只需考虑其中一项。其中，Dn、Ln、np0与温度有关，Js可以写成下式的形式：Js随温度升高而迅速增大，并且Eg越大的半导体，Js变化越快。由Eg=Eg(0)+T,设Eg(0)=qVg0，Eg0为绝对零度时的禁带宽度，qVg0为绝对零度时导带底和价带顶的电势差。则此时正向电流与温度的关系为：实验测量表明，理想的电流电压方程与小注入下Ge PN结的实验结果符合很好，而与Si PN结的实验结果偏离较大。这是因为实际存在表面效应、势垒区中产生及复合、大注入条件、串联电阻效应等原因而出现偏差。但它在定性和半定量分析中仍有较多的应用。