微電子器件與IC設(shè)計：第二章 PN結(jié)

1、第二章 PN結(jié)2.1 平衡PN結(jié)能帶圖及空間電荷區(qū) 2.1.1 平衡PN結(jié)能帶圖平衡PN結(jié)有統(tǒng)一的費密能級EF擴散電勢差平衡條件下，電子的擴散電流與漂移電流之和為零 由愛因斯坦關(guān)系 可得上式在整個勢壘區(qū)積分: 利用 ， ，即得擴散電勢：半導(dǎo)體的總電荷中性要求p側(cè)每單位面積總負空間電荷必須和n側(cè)每單位面積總正空間電荷相同： 在耗盡區(qū)域，自由載流子完全耗盡，泊松方程式可簡化為 總耗盡層寬度xm即為 耗盡區(qū)其中Em是存在x0處的最大電場由 和 積分得到： (a)熱平衡時空間電荷在耗盡區(qū)的分布(b)電場分布。陰影面積為內(nèi)建電勢耗盡區(qū)將 和 對耗盡區(qū)積分，可得到總電勢變化，此即內(nèi)建電勢VD： 可得到以內(nèi)

2、建電勢為函數(shù)的總耗盡區(qū)寬度為： 上式結(jié)合和耗盡區(qū)當p-n結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠比另一側(cè)高的突變結(jié)為單邊突變結(jié)圖(a)和(b)分別顯示單邊突變p-n結(jié)及其空間電荷分布，其中NAND在這個例子，p側(cè)耗盡層寬度較n側(cè)小很多(也就是xp 擴散N區(qū)一側(cè) 處的空穴被強場掃向P區(qū)，而P區(qū)一側(cè) 處的電子則被掃向N區(qū)。PN結(jié)的反向抽取作用 xp處少子（電子）濃度：2.2.3 理想PN結(jié)的伏-安特性 理想PN結(jié)，需滿足下列條件： 小注入條件:注入的少子濃度比平衡多子濃度小 得多； 耗盡層近似: 外加電壓都降落在耗盡層上，耗 盡層以外的半導(dǎo)體是電中性的，注入的少子在 P區(qū)和N區(qū)只作擴散運動； 忽略耗盡層中載流子的產(chǎn)生與

3、復(fù)合，通過勢壘 區(qū)的電流密度不變； 玻爾茲曼邊界條件:在勢壘區(qū)兩側(cè)，載流子分布 滿足玻爾茲曼分布。 忽略半導(dǎo)體表面對電流的影響。正偏時，P區(qū)邊界 處的非平衡載流子濃度可表示為：處， ，得到：再利用因為 得到 處的少子濃度： 處的過剩載流子濃度同樣可以得到N區(qū)邊界 處少子濃度為：處過剩少子濃度為：（2.2.5） （2.2.4） 理想PN結(jié)的伏-安特性肖克萊方程 穩(wěn)態(tài)時空穴擴散區(qū) 少子連續(xù)性方程其通解為 (2.2.6) 式中 是空穴的擴散長度。邊界條件：擴散積累的載流子數(shù)復(fù)合消失的載流子數(shù)得到： （2.2.7）同理，對注入P區(qū)的電子可以得到： (2.2.8)反偏時，如果 kT ,則 N區(qū)過剩載流子

4、 在 處即在N區(qū)內(nèi)部，即xLp處,則少數(shù)載流子濃度分布 正偏：載流子注入反偏：載流子抽取同理，在 處，電子擴散電流密度為 (2.2.10)根據(jù)條件（3）： 處，空穴擴散電流密度為： (2.2.9) 注入的少子邊擴散邊與多子復(fù)合，少子電流不斷轉(zhuǎn)換為多子電流，如下圖所示。電子和空穴擴散電流各自以擴散長度（Ln和Lp）呈指數(shù)規(guī)律衰減通過PN結(jié)的總電流（以Xn截面為例）： 反向飽和電流密度 （2.2.11） (2.2.12)肖克萊方程 電流主要由P+區(qū)注入到N區(qū)的空穴擴散電流組成。對于N+P結(jié)，則有：(2.2.15) (2.2.16)對P+N 、N+P單邊突變結(jié)，正向電流主要由高摻雜側(cè)注入到低摻雜側(cè)的

5、少子擴散電流組成！對P+N結(jié)， , 上式簡化為2.3 實際PN結(jié)的特性 正偏時，通過PN結(jié)的總電流：勢壘區(qū)復(fù)合電流 電子和空穴在空電區(qū)中凈復(fù)合率U： （2.3.1）勢壘區(qū)載流子濃度 （2.3.2）(2.3.3)（2.3.4）于是 空間電荷區(qū)的復(fù)合率比兩邊要高出幾個數(shù)量級最有效的復(fù)合中心能級：（2.3.5）上式的極大值發(fā)生在n + p為極小值的地方：（2.3.6）令由d(n + p)0推導(dǎo)出條件為： 此條件存在于耗盡區(qū)內(nèi)某處，其Ei恰位于EFp和EFn的中間，如圖所示在此其載流子濃度為 空間電荷區(qū)中最大復(fù)合率（2.3.7） VF kT/q ,則（2.3.8）空間電荷區(qū)的復(fù)合電流密度：（2.3.9

6、） 以N+P結(jié)為例，由 ，擴散電流為： （2.3.10）物理意義：注入到P區(qū)的電子電流密度 Jn ，就是在單位時間內(nèi)在擴散長度Ln內(nèi)復(fù)合的電子電荷量。流過N+P結(jié)的正向電流：（2.3.11） 隨外加電壓的增加比較緩慢，增加0.1V，JD 50倍，JRG僅7倍，即低壓小電流，復(fù)合電流才起重要作用； JRG ni，JD ni2,即JD/JRG = ni，ni越大，JRG的影響越小。Eg(Si) Eg(Ge), ni(Si)ni(Ge)，在小電流范圍內(nèi)JRG的影響顯著，它是硅晶體管小電流下下降的原因。 勢壘區(qū)復(fù)合電流的特點：其中稱為理想系數(shù)(ideality factor)當擴散電流占優(yōu)勢時， 1；

7、當復(fù)合電流占優(yōu)勢時， 2；當兩電流分量相差不多時，1 2一般，實驗結(jié)果可表示為 右圖是室溫下硅和砷化鎵p-n結(jié)測量的正向特性在低電流區(qū)域，復(fù)合電流占優(yōu)勢， 2；在較高的電流區(qū)域，擴散電流占優(yōu)勢， 接近1 電流電壓特性2.3.2 PN結(jié)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流在MN之間，EFN Eipni 忽略 中的n和p:負號代表負的復(fù)合率，即產(chǎn)生率。假設(shè) (2.3.12)勢壘區(qū)產(chǎn)生電流密度 (2.3.13)則產(chǎn)生率: （2.2.11）體內(nèi)擴散電流密度（反向飽和電流密度）對N+P結(jié) （2.3.14）（2.3.15） (2.3.16) ni愈?。‥g愈大），其反 向電流中JG所占比例愈大； JG隨xm 增加而增大,

8、即 JG沒有飽和值。 或2.3.3 PN結(jié)表面漏電流與表面復(fù)合、產(chǎn)生電流表面漏電流：金屬離子污染 并聯(lián)了一個電導(dǎo)如果氧化層中正電荷密度很高 表面載流子耗盡 表面空間電荷區(qū) 使pn結(jié)的空間電荷區(qū)延展擴大 引進附加的正向復(fù)合電流和反向產(chǎn)生電流。界面態(tài)的復(fù)合和產(chǎn)生電流得到（2.3.18） 具有速度的量綱，稱之為表面復(fù)合速度。一個界面態(tài)相當于一個復(fù)合中心，則單位面積的復(fù)合率：當時，有最大表面復(fù)合率：（2.3.17）設(shè)rn = rp = r （2.3.20） 結(jié)反偏壓足夠大時：負號表示是產(chǎn)生而不是復(fù)合 設(shè)界面態(tài)位于禁帶正中央，有 則最大單位表面產(chǎn)生率： （2.3.21）表面產(chǎn)生電流 對于熱氧化硅表面，s

9、0 = 1-10 cm/s，若AS10-3 cm2，則IGS 十幾pA。（2.3.22）2.3.4 PN結(jié)的大注入效應(yīng) 區(qū)注入到P區(qū)的電子在擴散區(qū)形成一定的濃度分布 ，為保持 區(qū)電中性，該區(qū)有等量的空穴增加，形成空穴濃度分布 ，兩者具有相同的濃度梯度：大注入：注入到邊界的少子濃度接近或超過多子濃度空穴擴散運動 電中性破壞 建立電場（擴散區(qū)自建電場） 空穴的漂移抵消空穴的擴散作用： E的重要作用：加速電子運動，同時也使正向壓降在電子擴散區(qū)增加了一部分 ，若勢壘區(qū)的壓降為 ，則總的壓降為（2.3.23）求E：由從而：（2.3.24）通過 結(jié)的電流密度即為通過截面 處的電子電流密度（2.3.25）小

10、注入下注：如果npppo ,則有 (2.3.26) 則(2.3.27)而 ，所以即特大注入下，所建立的自建電場對電子的漂移作用相當于使電子的擴散系數(shù)增大一倍。 而 xp處空穴的勢能比p區(qū)內(nèi)部低qVn，按照玻爾茲曼分布有(2.3.28)線性分布近似(2.3.29)則特大注入下 結(jié)的電流電壓關(guān)系：(2.3.30) 小注入：特大注入：J-V變化的速度減緩 一般地 1 2(2.3.31)考慮了體壓降后，pn結(jié)勢壘上的壓降相對來說更 小了，于是電流隨電壓的變化也更加緩慢。反偏時，計入勢壘區(qū)產(chǎn)生電流后，反向電流不再 飽和，隨反向電壓增大，勢壘寬度增加，反向產(chǎn) 生電流隨之增加。大注入時，還須考慮中性區(qū)體電阻

11、壓降 VR ，若 歐姆接觸良好，忽略電極接觸壓降，則：（2.2.14）利用 與 關(guān)系，理想PN結(jié)的反向飽和電流:（2.3.32）其中（2.3.33）（2.3.34)2.3.5 PN結(jié)的溫度特性從而反向飽和電流隨溫度升高增加! 對鍺PN結(jié)，T10K，I0 一倍； 硅PN結(jié)，T 6K，I0 一倍。對于硅PN結(jié)，反向產(chǎn)生電流起主要作用，因此,I0(T)主要取決于反向產(chǎn)生電流隨溫度的變化:(2.3.35) 正向電流與溫度的關(guān)系:（2.3.36）即使電流不變，PN結(jié)上的電壓也隨T變:（2.3.37）PN結(jié)的IF、VF、I0(T)、VB都與T有關(guān)!2.4 PN結(jié)的擊穿反向電壓增加到一定大小時，反向電流迅速

12、增加，這種現(xiàn)象叫做 結(jié)的擊穿，對應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓，用 表示。 2.4.1 PN結(jié)空間電荷區(qū)電場 結(jié)形成時， 區(qū)電子耗盡，剩下帶正電荷的電離施主 ； 區(qū)空穴耗盡，留下帶負電荷的電離受主 。電中性條件：空間電荷區(qū)正負電荷總量相等，即：(2.4.1) 單邊突變結(jié)，空間電荷區(qū)主要在輕摻雜一側(cè)展寬通過空電區(qū)的電力線密度不同: 在PN結(jié)交界面(x0)的電力線密度最大，電場也最強； x -xP和xn處，沒有電力線通過，電場強度為零。電場強度等于通過單位橫截面積的電力線數(shù)目。真空中每庫侖電荷發(fā)出的電力線數(shù)目為 ，則x 0處的電場強度為： N型一側(cè)任意x處，體積等于A(xn-x)，正電荷總量為qND(xn-

13、x)A , 則發(fā)射電力線數(shù)目為：電場強度：類似地，在 P 型一側(cè)（xpx0）：電場E在PN結(jié)兩邊隨x線性分布，在勢壘邊界處為零。在xpx0， 斜率為正；在0 x xn，斜率為負；斜率正比于兩邊的摻雜濃度ND或NA。在x=0, 電場最大EM 。E在勢壘區(qū)的積分即PN結(jié)兩邊的電位差。對平衡PN結(jié)，電位差即接觸電勢差VD；PN結(jié)外加電壓V時，電位差為VD-V：從而 (2.4.6)類似地，對N+P結(jié)： (2.4.7)ND和NA都是低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度，統(tǒng)一表示N0, 則：(2.4.8)xm xn xp，如對PN結(jié)，xm xn，則：【例】假設(shè)Si的單邊突變結(jié)上外加反壓為20伏，N01015cm-3，硅的

14、s11.9，08.8510-14Fcm，計算耗盡層寬度和最大場強。解：把VD - V 20 V，代入(2.4.8)式，則有：厘米5.13微米最大場強：伏/厘米(2.4.9)線性緩變結(jié)的空電區(qū)寬度和最大場強分別為：(2.4.10) a為PN結(jié)前沿雜質(zhì)濃度梯度 2.4.2 PN結(jié)的雪崩擊穿和隧道擊穿碰撞電離：載流子在晶體中運動時，不斷與晶格原子發(fā)生碰撞，當載流子從電場獲得的能量足夠大時，這種碰撞能使價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，稱這種現(xiàn)象為“碰撞電離” 雪崩擊穿:由于載流子雪崩倍增，使反向電流迅速增大，從而發(fā)生擊穿，這就是所謂的雪崩擊穿。雪崩倍增效應(yīng)：載流子通過勢壘區(qū)時將發(fā)生多次碰撞，碰撞

15、電離將使空電區(qū)的載流子數(shù)量迅速、成倍地增加，載流子增加的過程具有雪崩的性質(zhì)，故稱為雪崩倍增效應(yīng)。隧道擊穿反偏下空電區(qū)中能帶陡峻地傾斜，價帶中的電子有可能通過隧道效應(yīng)穿過禁帶進入導(dǎo)帶，結(jié)果形成一對電子和空穴，它們分別被掃向N區(qū)和P區(qū)，形成一股通過PN結(jié)的反向電流。由此導(dǎo)致的擊穿為隧道擊穿。（2.4.11）能帶傾斜反映了電子位能-qV(x)的變化: （2.4.12） 隧道長度d: （2.4.13）電場越強，能帶越傾斜，隧道就越短。因此，強場下，價帶電子可以大量穿透禁帶，進入導(dǎo)帶，引起隧道擊穿隧道擊穿與雪崩擊穿的主要區(qū)別 隧道擊穿僅取決于最大電場E不受光照影響溫度升高，擊穿電壓下降T,VB雪崩擊穿與

16、電場E及空電區(qū)寬度xm有關(guān)受光照影響溫度升高，擊穿電壓升高T,VB擊穿電壓在 4Eg/q 6Eg/q 時，兩種擊穿機構(gòu)同時起作用。擊穿電壓高于6Eg/q 時，擊穿機構(gòu)是雪崩擊穿；擊穿電壓低于4Eg/q 時，擊穿機構(gòu)是隧道擊穿；2.4.3 雪崩擊穿條件 電離率 ：一個載流子在電場作用下，漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)。 電離率隨電場變化非?？?，在105 V/cm范圍內(nèi)電場每增加一倍，電離率增加幾個數(shù)量級。 假設(shè)PN結(jié)未發(fā)生倍增效應(yīng)時的反向電流為：雪崩倍增時通過PN結(jié)的電流為 I ，則雪崩倍增因子定義為：(2.4.15) 越接近N區(qū)，電子電流密度越大，越接近P區(qū)，空穴電流密度越大。 假設(shè)PN結(jié)的

17、橫截面積等于一個單位面積，則PN結(jié)x處的總電流 為電子電流和空穴電流之和： (2.4.16) n(x)、P(x)分別為電子和空穴的漂移速度。每秒通過x處單位截面積的電子數(shù)為n(x)n(x)在dx薄層內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)為： 同理 ,每秒通過x處單位截面的空穴數(shù)為p(x) P(x)，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)為 每秒鐘在PN結(jié)中產(chǎn)生的電子-空穴對總數(shù)： (2.4.17)(2.4.18)碰撞電離所產(chǎn)生的電流假設(shè) ，于是得到：(2.4.19)通過PN結(jié)的總電流：（2.4.20）從而(2.4.21)(2.4.22)倍增因子：(x) 隨空電區(qū)電場的增加而迅速增加，當 1時, M, 電流I無限增大，導(dǎo)致雪崩擊

18、穿。所以 (2.4.23)雪崩擊穿的條件：物理意義：一個載流子在穿過勢壘時,只要能碰撞電離出一對電子、空穴,就足以讓雪崩倍增維持下去,最終發(fā)生雪崩擊穿。 或：2.4.4 影響擊穿電壓的因素分析 雜質(zhì)濃度對PN結(jié)擊穿電壓的影響 E(x)曲線斜率: 摻雜高，耗盡層窄，電場Em大斜率大(直線a)ND不同，反向電壓相同，則E(x) x的三角形面積相等 Si： (2.4.24) (2.4.26) n = 2 6 一般地：碰撞電離集中發(fā)生在電場最強的區(qū)域附近，即積分 中對倍增有貢獻的部分主要在勢壘區(qū)最大場強EM處.曲線 a ：摻雜濃度較高，EM大，電離率積分大，容易擊穿。從右圖可以確定為獲得某擊穿電壓而應(yīng)

19、選用的襯底雜質(zhì)濃度。虛線表示從雪崩擊穿到隧道擊穿的過渡濃度半導(dǎo)體薄層厚度對擊穿電壓的影響半導(dǎo)體薄層厚度小 空電區(qū)將擴展穿透薄層 擊穿電壓決定于薄層厚度 穿通電壓：高阻N型區(qū)是厚度為W的一個有限薄層。如果W xmB, 則未擊穿之前，空電區(qū)將占滿高阻層W，這種情況稱為穿通，相應(yīng)的電壓稱為穿通電壓。 空電區(qū)寬度基本上等于W，其中的電場強度隨NN+界面空間電荷的增多而加強。 NN+界面增加的空間電荷所發(fā)出的電力線要貫穿整個W，在各處所增加的電力線的數(shù)目都相同,即隨電壓增加，空電區(qū)各處電場的增量相同。 N層太薄，空電區(qū)在發(fā)生擊穿前已擴展到N+區(qū)，擊穿電壓必然下降，因此a比b更容易擊穿。 PN結(jié)形狀對擊穿

20、電壓的影響 雜質(zhì)橫向擴散的結(jié)深和縱向擴散結(jié)深近似相同(圖b)。擴散區(qū)底部的PN結(jié)是平面結(jié)，在矩形窗口邊緣形成圓柱形的曲面，稱為柱面結(jié)。在矩形窗口的四角形成的PN結(jié)近似為球面，稱為球面結(jié)(圖c)。 平面結(jié)：電力線彼此平行分布。x = 0時，電力線密度最大。 柱面結(jié)：正電荷發(fā)出的電力線沿半徑指向0點，隨r減小而逐漸密集。此外，隨 r 減小，橫截面積與 r 成正比減小，從而使電力線密度更加密集。 球面結(jié)：由于橫截面積與r2 成正比減小，所以球面結(jié)中電力線密度的增加比柱面結(jié)更快。 球面結(jié)和柱面結(jié)均具有電場集中效應(yīng)，從而： EM球EM柱EM平 VB平VB柱VB球 2.5 PN結(jié)的電容 2.5.1 PN結(jié)

21、的勢壘電容若電勢差減小V，空間電荷量將減小Q，即一部分載流子（電子、空穴）將流入x層，與該區(qū)的空間電荷中和，使xm減小到xm-x，相當于電容器充電。 相應(yīng)地，N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴就要流出該區(qū)域，形成放電電流，使空間電荷量增加 PN結(jié)勢壘電容： (2.5.3) PN結(jié)電勢差增加 V時， xm增加x，dV=xmdE=xm dQ/s 0勢壘電容與平板電容的區(qū)別 平板電容器的極板間距不隨電壓變化，而勢壘電容的勢壘寬度隨電壓變化，故前者的電容是一個常數(shù)，而后者的電容是電壓的函數(shù)，即： (2.5.3)(2.5.4)突變結(jié)勢壘電容與低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度的平方根成正比，與結(jié)兩端的電勢差的平方根成反比。下圖可

22、用來估算突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度和勢壘電容例：對一硅突變結(jié)，其中NA21019cm-3，ND81015cm-3，計算零偏壓和反向偏壓4V時的結(jié)電容(T300K) 將1/CT2對V作圖，可以得到一直線由其斜率可求出基體的雜質(zhì)濃度N0，而由與V軸交點(在1/CT2 0)可求出VD 根據(jù)解： 由 耗盡層勢壘電容可得到在零偏壓時 而在反向偏壓4V時 耗盡層勢壘電容 電容-電壓的特性可用來計算任意雜質(zhì)的分布對p-n結(jié)，其n側(cè)的摻雜分布如圖(b)所示雜質(zhì)分布計算(Evaluation of impurity distribution) 如前所述，對于外加電壓增量dV，單位面積電荷的增量dQ為qN(W)dW即圖

23、(b)的陰影區(qū)域其對應(yīng)的偏壓變化為圖(c)的陰影區(qū)域 將代入上式，得因此，我們可以測得每單位面積的電容值和反向偏壓的關(guān)系對1/CT2和V的關(guān)系作圖，由圖形的斜率，也就是d(1/CT2)/dV ，可得到N(W)同時，W可由得到一連串這樣的計算可以產(chǎn)生一完整的雜質(zhì)分布這種方法稱為測量雜質(zhì)分布的C-V法對于一線性緩變結(jié)，耗盡層勢壘電容由上式和得到： 對于線性緩變結(jié)，將1/C3對V作圖，而由斜率和交點得到雜質(zhì)梯度a和VD。 2.5.2 PN結(jié)的擴散電容 PN結(jié)正向偏置時：在N區(qū)，形成非平衡空穴p（少子）和非平衡電子n（多子）的積累；在P區(qū)，形成非平衡電子n（少子）和非平衡空穴p（多子）的積累。正偏壓增

24、加dV時，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴增加dp，電子也相應(yīng)增加dn；同理，在P區(qū)，非平衡電子和空穴也分別增加dn和dp。 擴散電容:擴散區(qū)內(nèi)的電荷數(shù)量隨外加電壓變化所產(chǎn)生的電容，稱為PN結(jié)的擴散電容，記為CD-x- xp（2.5.6）xnx （2.5.5）擴散區(qū)中積累的非平衡少子： （2.5.7）積分得到單位面積擴散區(qū)積累的電荷總量：（2.5.8） （2.5.9）（2.5.10）單位面積上的總擴散電容為： （2.5.11）如果PN結(jié)面積為A，則總微分擴散電容為：（2.5.12） 對PN結(jié)：（2.5.13） 擴散電容隨正偏壓指數(shù)增加，正偏壓較大時，擴散電容起主要作用，大小一般為數(shù)百至數(shù)千皮法。 PN結(jié)

25、正偏時，擴散電容 反偏時，勢壘電容 在許多應(yīng)用中，通常用等效電路表示p-n結(jié)除了擴散電容Cd和勢壘電容CT（Cj）外，還必須加入電導(dǎo)來考慮電流流經(jīng)器件的情形在理想二極管中，電導(dǎo)可由式獲得： 二極管的等效電路如圖所示，其中Cj代表總勢壘電容在直流偏置的二極管外加一低電壓正弦波信號激發(fā)下，該圖所示的電路已提供了足夠的精確度，稱其為二極管的小信號等效電路。 PN結(jié)等效電路 當半導(dǎo)體中的電場增加到超過某一定值時，載流子將得到足夠的動能來通過雪崩過程（avalanche process）產(chǎn)生電子空穴對，如圖所示?？紤]一個在導(dǎo)帶中的電子1，假設(shè)電場足夠高，此電子可在晶格碰撞之前獲得動能。 當與晶格碰撞時，

26、電子消耗大部分的動能來使鍵斷裂，也就是將一個價電子從價帶電離至導(dǎo)帶，因而產(chǎn)生一個電子空穴對2與2。同樣地，產(chǎn)生的電子空穴對在電場中開始被加速并與晶格發(fā)生碰撞，它們將產(chǎn)生其他電子空穴對，如3與3和4與4，依此類推，這個過程稱為雪崩過程，它將導(dǎo)致p-n結(jié)的結(jié)擊穿。雪崩效應(yīng)EcEvEcEv1442332 一個電子經(jīng)過單位距離所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目，稱為電子的電離率n。同樣，p為空穴的電離率。對硅晶及砷化鎵所測量到的電離率如圖所示。 n和p皆與電場有很強的相關(guān)性。對于一個相當大的電離率(如104cm-1)，就硅晶而言，其對應(yīng)的電場3105V/cm；而就砷化鎵而言，對應(yīng)的電場則 4105V/cm。由雪

27、崩過程造成的電子-空穴對產(chǎn)生速率GA為 電離率 (Ionization rate)其中Jn及Jp分別為電子及空穴電流密度。此表示法可使用于器件工作在雪崩情況下的連續(xù)性方程式 06213451E21E31E41E55E521086543E (1E5 V/cm)1/E (1E-6 cm/V)電離速率/cm-1SiGaAs右圖顯示溫度對硅二極管反向特性的影響在低溫時，產(chǎn)生電流占優(yōu)勢，且對于突變結(jié)(即xmVR1/2)，反向電流隨VR1/2變化當溫度上升超過175，在VR3kT/q時，產(chǎn)生電流有飽和的趨勢，擴散電流將占優(yōu)勢 反向電流與溫度的關(guān)系右圖顯示硅二極管的正向特性和溫度的關(guān)系在室溫及小的正向偏壓下

28、，復(fù)合電流占優(yōu)勢，然而在較高的正向偏壓時，擴散電流占優(yōu)勢給定一正向偏壓，隨著溫度的增加，擴散電流增加速率較復(fù)合電流快正向電流與溫度的關(guān)系小注入時，注入的少子濃度Eg的光子將被半導(dǎo)體吸收 光強隨距離指數(shù)減小( )1/即稱為光穿透深度，為吸收系數(shù))。為了吸收大部分能量Eg的光子，Si太陽能電池的厚度不應(yīng)薄于50 m，GaAs太陽能電池僅需1 m 直接帶隙半導(dǎo)體 ：GaAs、InP、GaN等, 吸收系數(shù)大 間接帶隙半導(dǎo)體 ：Si、Ge等, 吸收系數(shù)小 薄膜太陽能電池成為研究熱點！ 太陽能電池3. 短路電流和開路電壓太陽能電池光照射半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電子和空穴，產(chǎn)生率為G（s-1cm-3） 載流子遵循的連

29、續(xù)性方程為： 在短路條件下（V = 0）的邊界條件： 則方程的解為：空穴電流密度為： 短路電流： 開路電壓上式的物理解釋：僅僅離結(jié)一個擴散長度內(nèi)，即體積 內(nèi)所產(chǎn)生的空穴將被PN結(jié)收集，貢獻給短路電流；遠離結(jié)產(chǎn)生的載流子將通過復(fù)合消失。 則太陽能電池的總電流:,則由上式解出： 令并設(shè)輸出功率FF稱為填充因子，簡單地等于最大 與 之比。FF典型地約0.75 增加Nd能提高VOC 重摻雜; G越大，VOC越大 采用聚光器將陽光聚焦于太陽能電池上能提高G，改進VOC 聚光能減小電池面積、降低成本，還能增加電池效率 VOC線性地隨Eg增加。如果Eg太大，將不會吸收太陽光譜中長波長（紅和紅外）部分的光子，

30、從而ISC下降。 當Eg = 1.2-1.9 eV時，能獲得最好的太陽能電池效率24% 多結(jié)電池能取得非常高的（30%）的轉(zhuǎn)換效率 光發(fā)射二極管 電子和空穴復(fù)合時發(fā)射具有能量的光子（光） 改變Eg，可制備藍色、綠色、黃色、紅色、紅外以及紫外的LED1. LED材料和結(jié)構(gòu)直接帶隙半導(dǎo)體(如GaN)用于LED比間接帶隙半導(dǎo)體(如Si)好 電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生一個光子，稱為輻射復(fù)合，在直接帶隙半導(dǎo)體中，納秒壽命；在間接帶隙半導(dǎo)體中，毫秒壽命 工作原理：正偏二極管；量子阱制備LED的半導(dǎo)體材料 LED材料系統(tǒng) (a) 紅光LED(b) 量子阱示意圖二極管激光器 二極管激光器由二極管電流供給功率，是目前為止最小型、成本最低的激光器。它的基本結(jié)構(gòu)是處于正偏的PN結(jié)。采用直接帶隙半導(dǎo)體制備 1. 光放大激光工作要求光放大。 （a）一個光子產(chǎn)生一個電子-空穴對 （b）一個電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶時，朝任意方向發(fā)射一光子,稱為自發(fā)發(fā)射 (c) 入射的光子能激勵電子，使它躍遷到價帶，發(fā)射第二個光子，稱為受激發(fā)射-入射光波被放大 受激發(fā)射是激光工作的基