空间电荷区的复合、产生电流与隧道电流

可得
最大复合onductor Devices
在低电流水平时， 在低电流水平时 ， 复 合电流成分占优势。 合电流成分占优势。 斜率增加， 斜率增加 ， 说明扩散 电流在增加。 电流在增加。 在高电流水平， 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降支配着电流-电 压特性。 压特性。
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（2）Si-SiO2交界面的界面态 Si在交界面处，往往存在着一定数量的、位于禁带中的能级， 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， 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 够接受、放出电子，可以起到复合中心的作用。 和复合作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强， 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。 结的附加的复合和产生电流。 结的附加的复合和产生电流
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（3）表面沟道电流
型衬底的杂质浓度较低， 层中的正电荷较多时， 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 型衬底的杂质浓度较低 面将形成反型层，这个反型层与 型扩散层连起来， 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 结面 积增大，因而反向电流增大。 积增大，因而反向电流增大。
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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， 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（ 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。 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， 空间电荷区会有复合，即：空间电荷区内存在复合电流。 空间电荷区内存在复合电流。
正向PN结空间电荷区中的费米能级
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复合电流定义为： 复合电流定义为：
空间电荷区的宽度
载流子通过复合中心复合的复合率
最大复合率（ 最大复合率（Et = Ei 时）：
（1-208）
Et = Ei
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硅扩散结的电流-电压特性
斜率变化
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扩散电流： 扩散电流：
P+N结 结
Nd
？
PN+结 ？
扩散电流与复合电流的比较： 扩散电流与复合电流的比较：
表明：
越小，电压越低，则势垒区复合电流的影响越大。 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， 比较大。用硅制作的PN结 在小注入情况下， 的半导体材料， ni 比较大。用硅制作的 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， 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 结 以忽略不计，正向电流按通常扩散电流的规律而变化。 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。 结 当电压增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。
U j = U − IRS
由于电压与电流成对数关系，当结电流足够大时，电压随电流 增加变化不大，而串联电阻上的压降明显增加。当电流足够大 时，外加电压的增加主要降落在串联电阻上，电流电压近似成 线性关系。
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解决的办法： 解决的办法：
采用外延层结构：选择电阻率很低、掺杂浓度很高的硅片作为 衬底N＋，在衬底上外延生长一层很薄的、掺杂浓度较低的N型 外延层。在外延层上制作PN结。这样既减小了体电阻，又可 满足反向击穿电压的需要。
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为例： 以PN＋为例：
注入P区的非平衡少子的浓度已接近等于或大于平衡多子浓度， 注入 区的非平衡少子的浓度已接近等于或大于平衡多子浓度， 区的非平衡少子的浓度已接近等于或大于平衡多子浓度 注入P区的非平衡少子电子将产生积累 区的非平衡少子电子将产生积累， 即：∆n(xp) > = pp0 ，注入 区的非平衡少子电子将产生积累， 为了维持电中性要求必然要求多子空穴也有同样的积累， 为了维持电中性要求必然要求多子空穴也有同样的积累 ， 即 且与少子具有相同的浓度梯度。 有∆np(xp) =∆pp(xp) ，且与少子具有相同的浓度梯度。多子空 穴存在浓度梯度，必然使空穴产生扩散趋势，一旦空穴离开， 穴存在浓度梯度 ， 必然使空穴产生扩散趋势 ， 一旦空穴离开 ， P区的电中性就被破坏，在P区建立了一个电场 称为 区的电中性就被破坏， 区建立了一个电场E, 区的电中性就被破坏 区建立了一个电场 称为大注入 自建电场。显然 ： 该电场的方向是阻止空穴扩散 ， 却加速了 。 显然：该电场的方向是阻止空穴扩散， 电子的扩散。 电子的扩散。
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PN结表面复合和产生电流 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 结起保护作用， 层作掩模，这对PN结起保护作用 结起保护作用， 硅平面器件的表面都用 层的存在对PN结有一定的影响 结有一定的影响， 当SiO2层的存在对 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。 产生电流，从而影响器件的性能。
表面漏导电流
四 串联电阻的影响
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为了满足硅片机械强度的要求，对其厚度有一定要求； 为了满足硅片机械强度的要求，对其厚度有一定要求；同时为 了满足击穿电压的要求，低掺杂区的电阻率又不能太低， 了满足击穿电压的要求，低掺杂区的电阻率又不能太低，所以 PN结的体电阻较大 。 当结电流流过串联电阻时， 在串联电阻 结的体电阻较大。 当结电流流过串联电阻时 ， 结的体电阻较大 上存在电压降IR 从而使得实际施加在PN结上的电压下降 结上的电压下降。 上存在电压降 S。从而使得实际施加在 结上的电压下降。
表面沟道电流
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（4）表面漏导电流
结表面由于材料原因， 当PN结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等引起 结表面由于材料原因 或吸附水气、 表面沾污，如同在PN表面并联一个附加电导 表面并联一个附加电导， 表面沾污，如同在 表面并联一个附加电导，而引起表面 漏电，使反向电流增加。 漏电，使反向电流增加。
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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： 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， 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， 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， 即电子和空穴的浓度基本相等， 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。 以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。
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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， 向产生电流 。 空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大， 结本身的空间电荷区宽度变化类似。 和PN结本身的空间电荷区宽度变化类似。当表面空间电荷 结本身的空间电荷区宽度变化类似 区中电荷的数量和氧化层电荷相等时，宽度就不再变化。 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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（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 层中含有一定数量的正电荷（ 离子） 表面电荷的存在会吸引或排斥半导体的载流子， 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 在表面形成一定的空间电荷区。当表面电荷足够强时， 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 型硅表面附近的空穴排斥走， 型硅表面附近的空穴排斥走 间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。 间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。
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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 结反偏时， 由于空间电荷区对载流子的抽取作用， 结反偏时 荷区的载流子浓度低于平衡值（ 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 复合率，净产生率不为零，空间电荷区内存在产生电流。 扩散电流来自PN结两侧 区和 区内产生的电子和空穴， 而空 扩散电流来自 结两侧P区和 区内产生的电子和空穴， 结两侧 区和N区内产生的电子和空穴 间电荷区中的产生电流， 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。 的电子－空穴对形成的电流。
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U<0 意味着正的产生率，所形成的电流是空间电荷区 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： 而不是复合电流： 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 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， 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 增大。 中心数目增多，所以产生电流增大。
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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 反向电子扩散电流， 区通过复合中心产生的电子A 区通过复合中心产生的电子 和空穴B，电子由 扩散到 结空间电荷区，并被电场扫到N区 扩散到PN结空间电荷区 和空穴 ，电子由A扩散到 结空间电荷区，并被电场扫到 区 流向右方，而空穴流向左方。 流向右方，而空穴流向左方。 C’B’A’D’空穴 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 ： 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 区 分别扫进 区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个 区和 附加的反向电流。 附加的反向电流。
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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 区注入到 区后 ， 与 电子的注入电流， 段 电子从N区注入到 区后， 区注入到P区后 点与从左方来的空穴C复合 在B点与从左方来的空穴 复合； 点与从左方来的空穴 复合； A’B’C’D’: 空穴的注入电流，A’B’段：空穴从P区注入到 区后， 空穴的注入电流， 段 空穴从 区注入到N区后， 区注入到 区后 与在B’点与从右方来的电子 复合 与在 点与从右方来的电子C’复合； 点与从右方来的电子 复合； EFGH：PN结空间电荷区中复合中心造成的复合电流。
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五 大注入的影响
硅PN结的正向大电流超过一定范围时正向电流的实际值比理 结的正向大电流超过一定范围时正向电流的实际值比理 论计算值要低，其原因是因为小注入的条件遭到破坏。 论计算值要低 ， 其原因是因为小注入的条件遭到破坏 。 将注 入非平衡少子浓度接近等于或大于平衡多子浓度的情况， 入非平衡少子浓度接近等于或大于平衡多子浓度的情况 ， 称 为大注入。在大注入时，PN结电流－电压特性将发生变化。 为大注入。在大注入时， 结电流－电压特性将发生变化。 结电流