第3章 p-n结03

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1、第3章p-n结半导体器件物理SemiconductorPhysicsandDevices1外加p-n结的电压将会打破电子以及空穴的扩散和漂移电流间的平衡。正偏，外加偏压降低跨过耗尽区的静电势。因此，发射少数载流子注入，亦即电子注入p端，而空穴注入n端。3.4电流－电压特性反偏，外加偏压增加跨过耗尽区的静电势。将减少扩散电流，然而漂移电流几乎不随势垒变化。第3章p-n结2假设：①耗尽区为突变边界，且在边界外半导体为电中性；②边界处的载流子浓度和跨过结的静电势有关；③小注入情况，即注入的少子浓度远小于多子浓度（换句话说，在中性

2、区的边界，多子浓度因偏压的改变可忽略）；④在耗尽区内无产生和复合电流，电子和空穴电流在耗尽区内为常数。3.4.1理想特性热平衡时，中性区的多子浓度与杂质浓度基本相等。因此，nn0和np0分别表示n侧和p侧的热平衡电子浓度。内建电势可重新写为所以同理第3章p-n结3其中nn和np分别是n和p侧耗尽区边界处的非平衡电子浓度。正向偏压时，V为正值；反向偏压时，V为负值。耗尽区两个边界处的电子和空穴浓度通过热平衡时的静电势差Vbi有联系。由假设②，预期当外加电压改变静电势差时，仍然保持相同的关系式。当施加一正向偏压时，静电势差减为

3、Vbi-VF；当施加一反向偏压时，静电势差增为Vbi+VR。因此，上式可修正为第3章p-n结4小注入，注入的少子浓度远小于热平衡时的多子浓度，因此，nnnn0。将此条件以及式得到p侧耗尽区边界（x=-xp）的电子浓度代入正偏，边界处（-xp和xn）的少子浓度比平衡浓度显著增加；反偏，少子浓度比平衡时要小。上述式子定义了耗尽区边界处的少子浓度，是理想电流-电压特性的边界条件。第3章p-n结同理，得到在n侧的边界x=xn处的空穴浓度5理想化假设，耗尽区内没有电流产生，所有电流来自中性区。中性n区，没有电场，因此稳态连续方程简

4、化为以式和pn(x=)=pn0为边界条件，上式的解为其中，为n区空穴（少子）的扩散长度。在x=xn处，第3章p-n结6同理在电中性p区：其中，为p区电子（少子）扩散长度。少子浓度分布如下图所示。第3章p-n结7注入的少子离开边界，会和多子复合。电子和空穴电流如下图。边界处的空穴和电子电流由给出。在n区，空穴扩散电流以扩散长度Lp呈指数规律衰减；而在p区，电子扩散电流以扩散长度Ln呈指数规律衰减。第3章p-n结8通过器件各处的总电流为一常数，它是上两式的和。则理想二极管方程为：其中，饱和电流密度Js为：右图分别为以直角坐标

5、和半对数图表示的理想电流-电压特性。在正偏V≥3kT/q时，电流增加率为常数；反偏时，电流密度在-Js达到饱和。第3章p-n结例：计算硅p-n结二极管的理想反向饱和电流，其截面积为2×10-4cm2。二极管的参数是：NA=5×1016cm-3，ND=1016cm-3，ni=9.65×109cm-3，Dn=21cm2/s，Dp=10cm2/s，p=n=5×10-7s。得到：由截面积A=2×10-4cm2得到：解:由和第3章p-n结910理想二极管方程式可描述锗p-n结在低电流密度时的电流-电压特性。而对于硅和砷化镓的p-

6、n结，理想方程只能定性的吻合，耗尽区内有载流子的产生及复合存在。3.4.2产生-复合和大注入效应反向偏压，耗尽区内的载流子浓度远低于热平衡浓度，俘获速率和载流子浓度成正比；因此，俘获过程并不重要。p-n结的总反向电流可近似为中性区的扩散电流和耗尽区的产生电流之和。第3章p-n结正向偏压，电子和空穴的浓度皆超过平衡值。载流子会倾向于通过复合回到平衡值。因此，耗尽区内主要的产生-复合过程为俘获过程。11：理想系数。理想扩散电流占主导，=1；复合电流占主导，=2；两者电流可比，介于1和2之间。右图显示室温下硅和砷化镓p-

7、n结测量的正向特性。低电流区域，复合电流占主导，=2；电流较高的区域，扩散电流占主导，接近1。一般而言，实验结果可经验地表示成第3章p-n结电流更高的区域，电流偏离=1，且随正向电压增加的速率变得缓慢。该现象与两种效应有关：串联电阻和大注入效应。Thanksforlistening!