L22-半导体电子论.ppt

2021/2/6 * 由于电子扩散电流与空穴扩散电流方向相同,因此流过p-n结的正向流密度为: 同理可得p区非平衡少子的扩散流密度: 从上式我们可以看出,在不考虑体电阻影响的前提下,正向电流随正向电压迅速上升。 2021/2/6 * 施加反向电压 如对p-n结施加反向电压,上面的讨论过程仍然适用。只是外加电压取负值。从下式可以看出,当外加电压由零开始增加,下式最右边的因子很快降为1而不在随外加电压变化,即反向电流迅速饱和,而且饱和电流数值非常小。 由此可见,在正反电压下流过p-n结的电流数值差异悬殊,正向表现为低阻导通,而反向表现为高阻阻断态。可作为检波和整流应用。 2021/2/6 * 增加反向电压时外加电压与内建电压极性相同,增加了结区的漂移电流,使之超过扩散电流,其差值即构成反向电流。由于反向漂移电流是由少子构成,因此数值很小。 施加反向电压时势垒增高,任何处于势垒边界的少子均被势垒高电场“扫”入对方。 以p区为例,势垒边界电子浓度接近为零,p区内部少子就要向边界扩散,一抵达势垒边,立即就被“扫”入n区,构成反向电流的一部分。 + - p n 2021/2/6 * 同样, n区一侧的少子空穴向势垒边的扩散构成反向电流中空穴部分。 上述两项电流之和为反向饱和电流: np0和pn0都是平衡少子浓度,数值很小,因此反向饱和电流数值非常小。 2021/2/6 * p-n结电压-电流特性 某一反向电压下反向电流的突然增加是由于高电场使势垒区击穿。 2021/2/6 * 6.6 金属-氧化物-半导体(MOS)结构 V 金属 氧化物 半导体 P型半导体硅,半导体接地,金属端（常称栅极）接正电位,在半导体中产生由上向下的电场。在电场作用下,硅和氧化物的交界处,空穴被赶走,留下带负电荷的电离受主杂质,形成空间电荷区,厚度为d。 如果栅极电压为负,情况如何? E 2021/2/6 * 理想的MOS表面势 带负电荷的电离受主杂质形成空间电荷区,其内存在电场,其电势是逐渐变化的,因此该区域内的半导体能带发生弯曲。 在空间电荷区内,价带边离费米能级EF比较远,表明在表面附近空穴被赶走,空穴浓度极低,因此该区是缺乏载流子的高阻区,类似与p-n结的势垒区,也是载流子耗尽区。 2021/2/6 * 当金属上施加的正电压增大,表面势相应增大,能带更为弯曲。当费米能级高于表面处的本征能级EiB (禁带正中央) ,表面附近电子浓度将高于空穴浓度,由p型转换成n型,表面半导体导电类型与体内相反,所以称该区域为反型层。 因此,形成反型层的条件为: 2021/2/6 * N沟道MOS晶体管 MOS结构常被用来制作能放大电信号或作信息存储单元的MOS晶体管。 源极（S）、漏极（D）、栅极（G）。 2021/2/6 * 工作原理 相当于两个背靠背的p-n结,施加电压时,其中一个p-n结处于正向则另一个必处于反向,因此流过的电流很小。 施加栅极电压,形成反型层,大量电流通过。因此可以用加在栅极上的电压来控制流过源-漏之间的电流,从而放大栅极上的电信号。 n沟道和p沟道,只有一种载流子输运,称为单极型晶体管。 2021/2/6 * 反型层中的二维电子气 E1 E2 E3 最低子带被占据的情况称为量子极限,MOS反型层成为理想二维电子气体 2021/2/6 * 5.4 非平衡载流子 2021/2/6 * 半导体处于热平衡时，电子和空穴的浓度满足： 当存在外部影响时，例如温度不均匀、光照射，半导体中载流子的浓度将偏移平衡值。 下面我们以光照为例来说明半导体偏离热平衡状态的情形。光子能量h?必须满足？条件，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，形成电子空穴对，在稳态情形下： 非平衡载流子的产生 ?n和?p称为非平衡载流子浓度。 2021/2/6 * 虽然?n=?p,但对于多数载流子和少数载流子,非平衡载流子的所产生影响不同。 非平衡多子浓度相对平衡值往往可以忽略,而非平衡少子则有可能比平衡值大若干个数量级。 以室温下n型半导体为例,假设施主浓度为1016cm-3,可近似取n0= 1016cm-3 , p0= 104cm-3 。如对表面进行光照,使表面处非平衡载流子浓度?n=?p= 1010cm-3。可以明显看出, ?n只增加了多子浓度的百万分之一,而?p则使少子浓度增加一百万倍。 因此,产生非平衡载流子的过程往往被称为非平衡少子的生成或注入。 2021/2/6 * 稳定状态下载流子的复合和产生是处在一个动态平衡状态。 当撤消光照后,复合过程将占优势,从而载流子浓度将随时间衰减。这一过程可用一个时间参数?来表征,使? p随时间变化满足: 上式中, ?称为非平衡少子的平均寿命,它表征的是非平衡少子减少到原值的1/e所经历的时间。 从上式可以看出,