第2章半导体与PN结案例.ppt

在下面的动画中，注意观察跑入耗尽区的载流子，并留意穿过pn结的载流子。 * * § 2.6.1 P-N结--pn结二极管 § 2.6.1 P-N结--pn结二极管 需要说明的一点是，实际的pn结中载流子的数目和速度都是比动画中的要高得多，而穿过pn结的载流子数目也是非常大的。到达扩散区与耗尽区的交界处时，少子会被电场拉到耗尽区。由此形成的电流叫做漂移电流。在平衡状态下，漂移电流的大小受到少子数目的限制，这些少子是在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域通过热激发产生的。在平衡状态下，半导体的净电流为零。电子的漂移电流与电子的扩散电流是相互抵消的（试想如果没有抵消的话，将在半导体的其中一边出现电子的聚集）。同理，空穴的漂移电流与空穴扩散电流也是相互抵消的。 § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 半导体器件共有三种状态模式： 1.热平衡状态 在热平衡模式下，半导体没有额外的刺激，如光照射或外加电压。载流子的电流相互抵消所以在器件内没有净电流。 2.稳态 在恒稳模式下，将有光线照射或施有外加电压，但这些条件并不随时间而改变。器件通常处在稳定状态，要么正向偏压要么反向偏压。 3.突变状态 当施加的电压迅速改变时，太阳能电池的对变化的响应将会出现延迟。鉴于太阳能电池并不是高速运转领域使用的电子器件，在这里将不对突变效应多加描述。 * * 正向偏压下的二极管 正向偏压（也叫正向偏置）指的是在器件两边施加电压，以使得pn结的内建电场减小。即在p型半导体加正极电压而在n型半导体加负极电压，于是，一个穿过器件方向与内建电场相反的电场便建立起来了。因为耗尽区的电阻要比器件中其他区域的电阻要大得多（由于耗尽区的载流子很少的缘故），所以几乎所有的外加电压都施加在了耗尽区上。对于实际的半导体器件，内建电场的电压总是要比外加电场的高。而电场的减小将破坏pn结的平衡，即减小了对载流子从pn结的一边到另一边的扩散运动的阻碍，增大扩散电流。 * UNSW新南威尔士大学 * § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 当扩散电流增加时，漂移电流基本保持不变，因为漂移电流的大小只取决于在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域还有耗散区内部产生的载流子的数目。因为在上面的过程中，耗散区的宽度只缩小了一小部分，所以穿过电场的少子的数目也基本不变。 * * § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 载流子的注入和正向偏置电流 从pn结的一端到另一端的扩散运动的增加导致了少数载流子（少子）往耗散区边缘的注入。这些少数载流子由于扩散而渐渐远离pn结并最终与多数载流子（多子）复合。多数载流子是由外部电流产生的，也因此在正向偏压下产生净电流。假设没有复合作用，少数载流子的浓度将达到一个更高的水平，而从结的一端到另一端的扩散运动将会停止，这很像两种不同气体的相互扩散。 * UNSW新南威尔士大学 * § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 一开始，气体分子进行着从高浓度区域到低浓度区域的净运动，但当两个区域的浓度达到统一以后，将不会再有气体分子的净运动。然而在半导体中，注入的少数载流子会被复合掉，因此不断有更多的载流子扩散过pn结。结果是，在正向偏置下的扩散电流也是复合电流。复合的速度越高，通过pn结的扩散电流就越大。“暗饱和电流”（I0）是区别两种不同二极管的非常重要的参数。I0是衡量一个器件复合特点的标准，二极管的复合速率越大，I0也越大。 反向偏压 反向偏置电压是指在器件两端加电场，以使pn结增大。在pn结中的内建电场越大，载流子能从pn结一段扩散至另一端的概率就越小，即扩散电流就越小。与正向偏压时相同，由于受到进入耗尽区的少数载流子的数量限制，pn结的漂移电流并没有因内建电场的增大而相应增大。漂移电流的微量增加主要是因为耗尽区宽度的微量扩张，但这基本上只是一种二阶效应。 * UNSW新南威尔士大学 * § 2.6.2 P-N结--pn结的偏置 § 2.6.3 P-N结--二极管方程 理想二极管 二极管方程解释了通过二极管的电流与电压的关系，即理想二极管定律： * * I为通过二极管的净电流，I0为暗饱和电流（在没有光照情况下输出的电流），V是施加在二极管两端的电压，q和k分别代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，而T则表示绝对