8 第二章 2.4-2.5 空间电荷区的复合、产生电流与隧道电流解析
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正向PN结空间电荷区中的费米能级
复合电流定义为：
Physics of Semiconductor Devices
空间电荷区复合的复合率
（1-208）
Et = Ei
最大复合率：
Physics of Semiconductor Devices
（1）表面电荷引起表面空间电荷区
SiO2层中含有一定数量的正电荷（最常见的是由沾污引进的钠 离子），表面电荷的存在会吸引或排斥半导体的载流子，从而 在表面形成一定的空间电荷区。当表面电荷足够强时，就会把 P型硅表面附近的空穴排斥走，形成一个由电离受主构成的空 间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。
Physics of Semiconductor Devices
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三 PN结表面复合和产生电流
硅平面器件的表面都用SiO2层作掩模，这对PN结起保护作用， 当SiO2层的存在对PN结有一定的影响，会引进附加的复合和 产生电流，从而影响器件的性能。
Physics of Semiconductor Devices
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空间电荷区内的复合电流
ABCD: 电子的注入电流，AB段：电子从N区注入到P区后，与 在B点与从左方来的空穴C复合； A’B’C’D’: 空穴的注入电流，A’B’段：空穴从P区注入到N区后， 与在B’点与从右方来的电子C’复合； EFGH：PN结空间电荷区中复合中心造成的复合电流。
表面空间电荷区中的复合中心会引起附加的复合电流和反 向产生电流。空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大， 和PN结本身的空间电荷区宽度变化类似。当表面空间电荷 区中电荷的数量和氧化层电荷相等时，宽度就不再变化。
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（2）Si-SiO2交界面的界面态
Physics of Semiconductor Devices
二 反向PN结空间电荷区产生电流
PN结反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电 荷区的载流子浓度低于平衡值（pn < ni2） ，所以产生率大于 复合率，净产生率不为零，空间电荷区内存在产生电流。体内 扩散电流来自PN结两侧P区和N区内产生的电子和空穴，而空 间电荷区中的产生电流，是指空间电荷区中复合中心产生出来 的电子－空穴对形成的电流。
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反向电流产生的物理过程
CBAD: 反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子A 和空穴B，电子由A扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到N区 流向右方，而空穴流向左方。 C’B’A’D’空穴 EFGH：PN结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场 分别扫进N区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个 附加的反向电流。
Physics of Semiconductor Devices
影响PN结伏安特性的因素
2.4 空间电荷区的复合电流 空间电荷区的产生电流
2.5 隧道电流
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一 正向PN结空间电荷区复合电流
正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，边缘的载 流子浓度增加，以致于大于平衡载流子浓度（pn >ni2）。这些 过量的载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值。 空间电荷区会有复合，即：空间电荷区内存在复合电流。
在交界面处，往往存在着一定数量的、位于禁带中的能级，称 为界面态（或称为表面态）。它们和体内的杂质能级类似，能 够接受、放出电子，可以起到复合中心的作用。界面态的产生 和复合作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，会引起 PN结的附加的复合和产生电流。
（3）表面沟道电流
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
注入的扩散电流和空间电荷区中的复合电流的区别：复合地点 不同；在电子或空穴扩散区中电子和空穴一个是多子，一个是 少子，其浓度相差很大。在空间电荷区，位于禁带中央附近的 复合中心能级处，有Et = Ei，即电子和空穴的浓度基本相等，所 以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。
Nd ？ PN+结 ？
表明：
若 (ni /Nd) 越小，电压越低，则势垒区复合电流的影响越大。禁带宽度较小 的半导体材料， ni 比较大。用硅制作的PN结：在小注入情况下，正向电流 可能由势垒区的复合电流所控制，锗PN结：空间电荷区复合电流的影响可 以忽略不计，正向电流按通常扩散电流的规律而变化。这两种材料做成的 PN结，当电压增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。
Physics of Semiconductor Devices
U<0 意味着正的产生率，所形成的电流是空间电荷区产生的 电流而不是复合电流：
特点：
空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到 饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，PN结空 间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合 中心数目增多，所以产生电流增大。
可得
在低电流水平时，复 合电流成分占优势。
斜率增加，说明扩散 电流在增加。
在高电流水平，串联 电阻造成的较大欧姆 电压降支配着电流-电 压特性。
Physics of Semiconductor Devices 硅扩散结的电流-电压特性
斜率变化
扩散电流： P+N结
扩散电流与复合电流的比较：
Physics of Semiconductor Devices
当P型衬底的杂质浓度较低，SiO2层中的正电荷较多时，衬底表 面将形成反型层，这个反型层与N＋型扩散层连起来，使PN结面 积增大，因而反向电流增大。
表面沟道电流
（4）表面漏导电流
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当PN结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等引起 表面沾污，如同在PN表面并联一个附加电导，而引起表面 漏电，使反向电流增加。
复合电流定义为：
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空间电荷区复合的复合率
（1-208）
Et = Ei
最大复合率：
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（1）表面电荷引起表面空间电荷区
SiO2层中含有一定数量的正电荷（最常见的是由沾污引进的钠 离子），表面电荷的存在会吸引或排斥半导体的载流子，从而 在表面形成一定的空间电荷区。当表面电荷足够强时，就会把 P型硅表面附近的空穴排斥走，形成一个由电离受主构成的空 间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。
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Physics of Semiconductor Devices
三 PN结表面复合和产生电流
硅平面器件的表面都用SiO2层作掩模，这对PN结起保护作用， 当SiO2层的存在对PN结有一定的影响，会引进附加的复合和 产生电流，从而影响器件的性能。
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空间电荷区内的复合电流
ABCD: 电子的注入电流，AB段：电子从N区注入到P区后，与 在B点与从左方来的空穴C复合； A’B’C’D’: 空穴的注入电流，A’B’段：空穴从P区注入到N区后， 与在B’点与从右方来的电子C’复合； EFGH：PN结空间电荷区中复合中心造成的复合电流。
表面空间电荷区中的复合中心会引起附加的复合电流和反 向产生电流。空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大， 和PN结本身的空间电荷区宽度变化类似。当表面空间电荷 区中电荷的数量和氧化层电荷相等时，宽度就不再变化。
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（2）Si-SiO2交界面的界面态
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二 反向PN结空间电荷区产生电流
PN结反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电 荷区的载流子浓度低于平衡值（pn < ni2） ，所以产生率大于 复合率，净产生率不为零，空间电荷区内存在产生电流。体内 扩散电流来自PN结两侧P区和N区内产生的电子和空穴，而空 间电荷区中的产生电流，是指空间电荷区中复合中心产生出来 的电子－空穴对形成的电流。
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反向电流产生的物理过程
CBAD: 反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子A 和空穴B，电子由A扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到N区 流向右方，而空穴流向左方。 C’B’A’D’空穴 EFGH：PN结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场 分别扫进N区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个 附加的反向电流。
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影响PN结伏安特性的因素
2.4 空间电荷区的复合电流 空间电荷区的产生电流
2.5 隧道电流
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一 正向PN结空间电荷区复合电流
正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，边缘的载 流子浓度增加，以致于大于平衡载流子浓度（pn >ni2）。这些 过量的载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值。 空间电荷区会有复合，即：空间电荷区内存在复合电流。
在交界面处，往往存在着一定数量的、位于禁带中的能级，称 为界面态（或称为表面态）。它们和体内的杂质能级类似，能 够接受、放出电子，可以起到复合中心的作用。界面态的产生 和复合作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，会引起 PN结的附加的复合和产生电流。
（3）表面沟道电流
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注入的扩散电流和空间电荷区中的复合电流的区别：复合地点 不同；在电子或空穴扩散区中电子和空穴一个是多子，一个是 少子，其浓度相差很大。在空间电荷区，位于禁带中央附近的 复合中心能级处，有Et = Ei，即电子和空穴的浓度基本相等，所 以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。
Nd ？ PN+结 ？
表明：
若 (ni /Nd) 越小，电压越低，则势垒区复合电流的影响越大。禁带宽度较小 的半导体材料， ni 比较大。用硅制作的PN结：在小注入情况下，正向电流 可能由势垒区的复合电流所控制，锗PN结：空间电荷区复合电流的影响可 以忽略不计，正向电流按通常扩散电流的规律而变化。这两种材料做成的 PN结，当电压增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。
Physics of Semiconductor Devices
U<0 意味着正的产生率，所形成的电流是空间电荷区产生的 电流而不是复合电流：
特点：
空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到 饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，PN结空 间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合 中心数目增多，所以产生电流增大。
可得
在低电流水平时，复 合电流成分占优势。
斜率增加，说明扩散 电流在增加。
在高电流水平，串联 电阻造成的较大欧姆 电压降支配着电流-电 压特性。
Physics of Semiconductor Devices 硅扩散结的电流-电压特性
斜率变化
扩散电流： P+N结
扩散电流与复合电流的比较：
Physics of Semiconductor Devices
当P型衬底的杂质浓度较低，SiO2层中的正电荷较多时，衬底表 面将形成反型层，这个反型层与N＋型扩散层连起来，使PN结面 积增大，因而反向电流增大。
表面沟道电流
（4）表面漏导电流
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当PN结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等引起 表面沾污，如同在PN表面并联一个附加电导，而引起表面 漏电，使反向电流增加。