尼曼 半导体物理与器件优秀PPT

exp
eVa kT
1
第ຫໍສະໝຸດ Baidu
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高等半导体物理与器件
J J p xn Jn
xp
eDp pn Lp
0
eDn np0 Ln
exp
eVa kT
1
上式为理想pn结电流-电压特性方程，可进一步定义Js：
eVa kT
条
件 np
xp
np0
exp
eVa kT
2 pn
x2
pn
L2p
0x
xn
L2p Dp p0
np x np0 pn x pn0
长pn结 Wn Lp，Wp Ln
第
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高等半导体物理与器件
双极输运方程的通解为：
pn x pn x pn0 Aex/ Lp Bex/ Lp x xn
连续函数；耗尽区内电子电流和空穴电流为恒定值。
第
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高等半导体物理与器件
第
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高等半导体物理与器件
（3）边界条件
Nd nn0
ni2 Na
np0
Vbi
Vt
ln
Na Nd ni2
ni2 Na Nd
exp
eVbi kT
np0
nn0
exp
eVbi kT
热平衡下p区少子浓度与n 区多子浓度联系起来。
• 上述边界条件虽是根据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。
np
np0
exp
eVa kT
pn
pn0
exp
eVa kT
第
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高等半导体物理与器件
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
高等半导体物理与器件
高等半导体物理 与器件
第八章 pn结二极管
第
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高等半导体物理与器件
本章内容
• pn结电流 • 产生-复合电流和大注入 • pn结的小信号模型
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高等半导体物理与器件
8.1 pn结电流
（1）pn结内电荷流动的定性描述
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高等半导体物理与器件
• pn 结加正偏Va，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上
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高等半导体物理与器件
• 正偏，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱
势垒降低 内建电场减弱
空间电荷区缩短
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
np
nn0
exp
e
Vbi
kT
Va
第
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高等半导体物理与器件
np
nn0
exp
e Vbi Va
kT
nn0
exp
eVbi kT
exp
eVa kT
np
np0
exp
eVa kT
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
pn
pn0
exp
eVa kT
第
边 界 条 件
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高等半导体物理与器件
• 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。
（5）理想pn结电流
• 第四个假设
– 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
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高等半导体物理与器件
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：
Jp
xn
eDp
dpn x
dx
x xn
pn结均匀掺杂，上式可表示为：
Jp
xn
eDp
d
pn x
dx
x xn
第
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高等半导体物理与器件
（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
0
0
0
Dn
2
n
x2
n E
n
x
g n n0
n
t
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高等半导体物理与器件
双极输运方程可以简化为：
2 np x2
np
L2n
0
x xp
L2n Dn n0
边 界
pn
xn
pn0
exp
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高等半导体物理与器件
• 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
np
xp
np0
exp
eVa kT
pn
xn
pn0
exp
eVa kT
np
np0
Ln
pn Lp
pn0 np0
Ln np
Lp pn0
pn
xp x 0 xn
xp x 0 xn
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高等半导体物理与器件
• 热平衡，载流子漂移与扩散的平衡被打破：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。
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高等半导体物理与器件
（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； • pn结内电流处处相等；结内电子电流和空穴电流分别为
– 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。
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高等半导体物理与器件
产生净扩散流；电子：n区→p区，空穴：p区→n区
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：
Jp
xn
eDp pn0 Lp
exp
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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
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高等半导体物理与器件
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：
Jn
xp
eDn
d
np x
dx
x xp
利用少子分布公式，上式简化为：
Jn
xp
eDnnp0 Ln
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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：
J J p xn Jn
xp
eDp pn Lp
0
eDn np0 Ln
np x np x np0 Cex/ Ln Dex/ Ln x xp
从上述四个边界条件可得：
pn
x
pn
x
pn0
pn0
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exp
xn Lp
x
x xn
np
x
np
x
np0
np0
exp
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exp
xp Ln
x
x xp