半导体器件物理-p-n结.ppt

电流－电压特性 解 由式 例5：一硅p-n结二极管的截面积为2×10-4 cm2．二极管的参数是：NA=5×1016cm-3，ND=1016cm-3，ni=9.65×109cm-3，Dn=21 cm2/s，Dp=10 cm2/s，?p0= ?n0= 5×10-7 s. 假设?g= ?p= ?n，计算在4V的反向偏压时，其产生的电流密度。 得到 电流－电压特性 因此产生电流密度为 在正向偏压下：电子和空穴的浓度皆超过平衡值．载流子会通过复合回到平衡值．因此，在耗尽区内主要的产生-复合过程为俘获过程．由式 可得到： 和 将上式代入式 且假设?n= ?p= ?0得到 电流－电压特性 不论是复合还是产生，最有效的中心皆位于接近Ei的地方．如，金和铜在硅中产生有效的产生-复合中心，金的Et-Ei为0.02eV，而钢为-0.02eV．在砷化镓中，铬产生一有效的产生-复合中心，其Et-Ei值为0.08eV． 在Et=Ei的条件下，上式可被简化成 对于一给定的正向偏压，当分母nn+pn+2ni是一最小值或电子和空穴浓度的总和nn+pn为最小值时，则U在耗尽区里达到最大值．由式 知这些浓度的乘积为定值。 电流－电压特性 为最小值的情况．此条件存在于耗尽区内某处，其Ei恰位于EFp和EFn的中间，如图所示．在此其载流子浓度为 因此 由d(nn+pn)＝0的条件推导出 电流－电压特性 因此复合电流为 其中?r等于1/(?0vthNt)，为有效复合寿命．总正向电流可以被近似为上式和 对于V3kT/q 的总和．由于pn0np0和V＞3kT/q，可以得到 电流－电压特性 可看出，正向偏压总电流＝扩散电流＋复合电流 其中?称为理想系数(ideality factor)．当理想扩散电流占优势时， ?等于1；但是当复合电流占优势时， ?等于2；当两者电流相差不多时， ?介于1和2之间. 一般而言，实验结果可以被表示成 右图显示室温下硅和砷化镓p-n结测量的正向特性．在低电流区域，复合电流占优势， ?等于2；在较高的电流区域，扩散电流占优势， ?接近1． 电流－电压特性 在更高的电流区域，注意到电流偏离?=1的理想情况，且其随正向电压增加的速率较为缓慢．此现象和两种效应有关：串联电阻和大注入效应。 对串联电阻效应，在低及中电流区域， 其通过中性区的IR电压降通常比kT/q (在300K时26mV)小，其中I为正向电流， R为串联电阻． 如对R＝1.5?的硅二极管，IR在电流为lmA时仅有1.5mV．而在100mA时IR电压降变成0.15V，比kT/q大6倍．此IR电压降降低跨过耗尽区的偏压．因此，电流变成 电流－电压特性 而理想扩散电流降低一个因子 在大注入浓度的情况，注入的少数载流子浓度和多数载流子浓度差不多，亦即在n端的结pn(x=xn)?nn，此即为大注入情况．将大注入的情况代入式 得到 利用此作为一个边界条件，电流大约变成与 成正比。因此，在大注入情况下，电流增加率较缓慢． 电流－电压特性 工作温度对器件特性有很大的影响．在正向和反向偏压情况之下，扩散和复合-产生电流的大小和温度有强烈的关系． 右图显示硅二极管的正向偏压特性和温度的关系．在室温及小的正向偏压下，复合电流占优势，然而在较高的正向偏压时，扩散电流占优势．给定一正向偏压，随着温度的增加，扩散电流增加速率较复合电流快． 温度影响 电流－电压特性 右图显示温度对硅二极管反向特性的影响．在低温时，产生电流占优势，且对于突变结(即W～VR1/2)，反向电流随VR1/2变化．当温度上升超过175℃，在VR≥3kT/q时，产生电流有饱和的趋势，扩散电流将占优． 电流－电压特性 在正向偏压下，电子由n区被注入到p区，而空穴由p区被注入到n区．少数载流子一旦越过结注入，就和多数载流子复合，且随距离呈指数式衰退，如图所示．这些少数载流子的分布导致在p-n结上电流流动及电荷储存。下面分析（1）电荷储存对结电容的影响和（2）偏压突然改变导致的p-n结的暂态响应. 被注入的少数载流子储存在中性n区，其每单位面积电荷可由对在中性区额外的空穴积分获得，如图的图形面积所示，由 少数载流子(minority carrier)的储存： 可得 电荷存储和暂态响应 中性n区少子： 以下推导扩散电容Cd（正向偏压）表达式： Cd= Cd（n区）+ Cd（p区） 类似的式子可以表示在电中性p区的储存电子．所储存的少数载流子数量和扩散长度及在耗尽区边界的电荷密度有关．由上式和 上式说明电荷储存量是电流和少数载流子寿命的乘积． 因为若注入的空穴寿命较长，则在被复合之前，会更深地扩散入n区，因而可储存较多的空穴． 得到 电荷存储和暂态响应 例7：对