尼曼半导体物理与器件第八章.ppt

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1、第八章pn结二极管0高等半导体物理与器件第八章pn结二极管第八章pn结二极管1pn结电流产生-复合电流和大注入pn结的小信号模型本章内容第八章pn结二极管2（1）pn结内电荷流动的定性描述8.1pn结电流第八章pn结二极管3pn结加正偏Va，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性p区和n区的体电阻相比耗尽区电阻很大势垒高度由平衡时的eVbi降到e(Vbi-Va)；正向偏压Va产生的电场与内建电场反向，势垒区中电场强度减弱，相应使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。第八章pn结二极管4产生净扩散流；电子：n区→p区，空穴：p区→n区热平衡，载流子漂移与扩散的平衡

2、被打破：势垒高度降低，势垒区电场减弱，漂移减弱，因而漂移小于扩散，产生净扩散流。空间电荷区的两侧产生过剩载流子；正向注入：通过势垒区进入p区的电子和进入n区的空穴分别在界面（-xp和xn）处积累，产生过剩载流子。少子注入：由于注入载流子对它进入的区域都是少子。小注入：注入的少子浓度远小于进入区多子浓度。边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散，经过大约几个扩散长度后，又恢复到平衡值。第八章pn结二极管5（2）理想的电流-电压关系理想pn结I-V特性方程的四个基本假设条件：pn结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；载流子分布满足麦克斯韦-玻尔兹曼近似；满足小注入的条件；

3、pn结内电流处处相等；结内电子电流和空穴电流分别为连续函数；耗尽区内电子电流和空穴电流为恒定值。第八章pn结二极管6第八章pn结二极管7（3）边界条件热平衡下p区少子浓度与n区多子浓度联系起来。第八章pn结二极管8正偏，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱势垒降低空间电荷区缩短内建电场减弱扩散电流>漂移电流空间电荷区边界处少数载流子浓度注入第八章pn结二极管9偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度注入水平和偏置电压有关边界条件第八章pn结二极管10注入到p/n型区中的电子/空穴会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。上述边界条件虽是根

4、据pn结正偏条件导出，但对反偏也适用。因而当反偏足够高时，由边界条件可得，耗尽区边界少数载流子浓度基本为零。第八章pn结二极管11正偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况反偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况例8.1第八章pn结二极管12（4）少数载流子分布假设：中性区内电场为0无产生，稳态pn结，长pn结第八章pn结二极管13边界条件双极输运方程可以简化为：长pn结第八章pn结二极管14双极输运方程的通解为：从上述四个边界条件可得：第八章pn结二极管15由此，可得出pn结处于正偏和反偏时，耗尽区边界处的少数载流子分布。正偏反偏第八章pn结二极管16（5）理想pn结电流第

5、四个假设pn结电流为空穴电流和电子电流之和空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值第八章pn结二极管17因此，耗尽区靠近n型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：pn结均匀掺杂，上式可表示为：利用少子分布公式，可得耗尽区靠近n型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：pn结正偏，空穴电流密度沿x轴正向，即从p型区流向n型区。第八章pn结二极管18类似，耗尽区靠近p型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：利用少子分布公式，上式简化为：pn结正偏，上述电子电流密度也是沿着x轴正方向。若假设电子电流和空穴电流在通过pn结耗尽区时保持不变，则流过pn结的总电流为：第八章pn结二极管19上式为理想pn结电流-电压

6、特性方程，可进一步定义Js：理想pn结的电流-电压特性可简化为：尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn结推出，但它同样适用于理想反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为Js。第八章pn结二极管20pn结正偏电压远大于几个Vt时，上述电流-电压特性方程中的（-1）项可忽略。pn结二极管I-V特性及其电路符号如下图所示。第八章pn结二极管21可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过pn结的总电流不变，二者之差是多子电流。p型区空穴电流提供了穿过空间电荷区向n型区注入的空穴提供了因与过剩少子电子复合而损失的空穴（6）物理学概念小结pn结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：第八章pn结二极管22下图

7、显示了正偏下pn结内的理想电子电流与空穴电流成分。例8.4第八章pn结二极管23温度效应对pn结二极管正、反向I-V特性的影响如下图所示：温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向导通电压下降。（7）温度效应第八章pn结二极管24（8）短二极管前面分析中，假设理想pn结二极管n型区和p型区的长度远大于少子扩散长度。实际pn结中，往往有一侧的长度小于扩散长度，如下图所示，n型区的长度Wn