正偏pn結的大注入效應

1、正偏pn結的大注入效應分析正向pn結的電流電壓關系時，實際上假定了非平衡載流子在擴散區(qū)只有擴散運動， 亦即擴散區(qū)為電中性的。當注入的非平衡載流子的濃度遠低于多數(shù)載流子濃度時，即所謂小 注入條件，上述假定是合理的。但如果注入的非平衡載流子與多數(shù)載流子的濃度相當，或大 于多子濃度，即發(fā)生大注入時，擴散區(qū)的電中性假定不再成立。實驗結果也指出，當pn結的 電流密度較高時，半對數(shù)坐標平面上的電流電壓關系曲線的斜率偏離q/kT，而趨于q/2kT。前面已經(jīng)指出，正偏pn結空間電荷區(qū)直至空間電荷區(qū)邊界處，都有 n(x)p(x) = n2 exp(翌) i kT現(xiàn)以p+n結為例，如圖所示，取n型側空間電荷區(qū)邊界

2、為坐標原點，則有n(0)p(0) = n2 exp(岑)定義注入的空穴濃度等于n區(qū)電子濃度為臨界大注入條件，這時 P(0) = n(0) = n exp；) i 2kT(2.68)(2.69)(2.70)在大注入下，非平衡空穴形成濃度梯度的同時，電中性要求，必有相應的電子的濃度梯度的 形成。載流子濃度梯度的存在，導致載流子從空間電荷區(qū)邊界向n區(qū)內部擴散，空穴的擴散 因有p區(qū)的注入而維持一定的濃 度梯度(從而維持了外電路的穩(wěn)定 電流)。但電子的擴散無注入加以 補充，導致近空間電荷區(qū)邊界一 側電子欠缺，而在擴散區(qū)的另一 側電子過剩，電中性條件不再滿 足。在擴散區(qū)產生了指向n區(qū)內部 的電場。電場的作

3、用是使電子作 反方向的漂移運動。當電子的擴 散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡 時，電場大小為定值，這一電場 就稱為大注入自建電場，如圖所 示。大注入自建電場的存在，非 平衡空穴在擴散區(qū)不僅作擴散運 動，而且也作漂移運動?，F(xiàn)在求大注入自建電場的大小。當電子的擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，擴散區(qū) 的凈電子電流為零，于是D d + |! nE (x) = 0pn結空間電荷區(qū)外側空穴擴散區(qū)內 大注入自建電場的形成(2.71)所以E (x)=D 1 dnr n dx(2.72)因電子的擴散運動，擴散區(qū)的電子濃度分布與空穴分布略有差異，但仍可近似認為兩者分布 相等。利用愛因斯坦關系，可得n旦n大注入自建電

4、場可改寫為空穴電流將大注入自建電場代入，得E(x) = - Dp 1 dpH p dx=卯 ppE - qDpddpJ =-q(2D )4-p(2.73)(2.74)(2.75)p dx此式表明，大注入自建電場的漂移作用，等效于使空穴擴散系數(shù)增大一倍。大注入下，擴散 區(qū)空穴分布函數(shù)形式不變，即p( x) = p (0)exp(-A)Lp(2.76)將此分布代入(2.75)式，并令件0，得到p+n結大注入下的空穴電流密度表達式q(2D( qV)L eXP(2kT)(2.77)這一關系式是大電流條件下，pn結電流-電壓關系曲線斜率減小的原因之一。斜率減小的另 一個原因是大電流下，半導體的體電阻上的壓降不能再忽略不計。將小電流和大電流的情形一并考慮進去，可將pn結的電流電壓方程寫作下面的一般形式：J =