晶体管2.3.ppt

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1、 2.3 准费米能级与大注入效应准费米能级与大注入效应 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 2.3.1 自由能与费米能级自由能与费米能级 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。平衡平衡 PN 结的能带图结的能带图N区区P区区 2.3.2 准费米能级准费米能级 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

2、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 准费米能级准费米能级 的概念。的概念。设设 EFp 与与 EFn 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 耗尽区耗尽区 中两种准费米能级之差为中两种准费米能级之差为 ，因此有因此有 当外加正向电压时当外加正向电压时耗尽区中耗尽区中,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

3、平衡时降低的数值。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。当外加反向电压时当外加反向电压时 小注入条件：小注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于该区的平衡多子浓度。即：该区的平衡多子浓度。即：2.3.3 大注入效应大注入效应 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 以以使该

4、区仍保持大体上的使该区仍保持大体上的 电中性电中性。N 区少子区少子 N 区多子区多子 且且 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，1、小注入条件与大注入条件、小注入条件与大注入条件 N 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：大注入条件：大注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度。即：该区的平衡多子浓度。即：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，N 区区 当当 N 区发生大注入时，区发生大注入时，在在 xn 处，处，

5、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 2、大注入条件下的少子浓度边界条件、大注入条件下的少子浓度边界条件 同理，当同理，当 P 区发生大注入时，区发生大注入时，式式（2-90a）和（和（2-90b）就是大注入下的少子浓度边界条件就是大注入下的少子浓度边界条件之一。之一。于是可得：于是可得：（2-90b）（2-90a）当当 N 区发生大注入时，在区发生大注入时，在 N 区有区有 nn=pn，但由于电子不可但由于电子不可能

6、象空穴那样从能象空穴那样从 P 区得到补充，所以电子的浓度梯度将略小于区得到补充，所以电子的浓度梯度将略小于空穴的浓度梯度。空穴的浓度梯度。N 区区 3、大注入条件下的自建电场、大注入条件下的自建电场 电荷在空间上的分离形成了一个电场电荷在空间上的分离形成了一个电场 E，它使它使空穴向右作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 大注入大注入条件下的自建电场条件下的自建电场 E。令：令：得：得：这相当于空穴电流仍只由扩散电

7、流构成，这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，但扩散系数扩大但扩散系数扩大了一倍。了一倍。这个现象称为这个现象称为 Webster 效应效应。4、大注入条件下的、大注入条件下的 PN 结电流结电流 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）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

8、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 小注入时的小注入时的 (q/kT)过渡到过渡到 大注入大注入时的时的(q/2kT)。（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 转折电压转折电压为为 VK ,则通过令小注入和大注入的少子浓度表则通过令小注入和大注入的少子浓度表达式相等，可解得达式相等，可解得 N 区和区和 P 区的转折电压（或区的转折电压（或 膝点电压膝点电压）为）为 5、转折电压、转折电压问问 VKP 与与 VKN 各为多少？当外加电压各为多少？当外加电压 V=0.65V 时，时，np(-xp)与与 pn(xn)各为多少？各为多少？例例 2.1 某硅突变结的某硅突变结的解：解：对于对于 P 区，区，V VKP ，为大注入，为大注入，对于对于 N 区，区，V VKN ，为小注入，为小注入，