光電器件第二章

光電器件課件第二章第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.1pn結的基本結構若在同一半導體內部，一邊是P型，一邊是N型，則會在P型區(qū)和N型區(qū)的交界面附近形成pn結，它的行為并不簡單等價于一塊P型半導體和N型半導體的串聯(lián)。這種結構具有特殊的性質：單向導電性。PN結是許多重要半導體器件的核心第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一零偏（熱平衡）pn結p型半導體與n型半導體的能帶圖pn結的能帶圖內建電勢差EcEvEFiEFEcEvEFiEF第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一耗盡近似：認為在勢壘區(qū)中全部自由載流子都被耗盡。第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一電場強度pn+-E-xpxneNdeNa內建電場由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，電場強度的大小和電荷密度的關系由泊松方程確定：其中φ為電勢，E為電場強度，ρ為電荷密度，εs為介電常數(shù)。

從圖可知，電荷密度ρ(x)為：耗盡區(qū)假設耗盡近似：認為在勢壘區(qū)中全部自由載流子都被耗盡。第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一則p側空間電荷區(qū)內電場可以積分求得：邊界條件：x=-xp時，E=0相應，n側空空間電荷區(qū)電場：邊界條件：x=xn時，E=0第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一p側電場和n側電場在界面處（x=0）連續(xù)，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0E因而兩側空間電荷區(qū)的寬度xp和xn有關系：空間電荷區(qū)整體保持電中性空間電荷區(qū)主要向低摻雜一側延伸第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)電場強度和電勢的關系，將p區(qū)內電場積分可得電勢：確定具體的電勢值需要選擇參考點，假設x=xp處的電勢為0，則可確定積分常數(shù)值C1’和p區(qū)內的電勢值為：第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一同樣的，對n區(qū)內的電勢表達式積分，可求出：當x=0時，電勢值連續(xù)，因而利用p區(qū)電勢公式可求出：第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vbi電勢和距離是二次函數(shù)關系，即拋物線關系空間電荷區(qū)內的載流子濃度變化顯然，x=xn時，Φ=Vbi，因而可以求出：第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一空間電荷區(qū)寬度pn+-xp+xn由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)知道：將該式代入用電勢公式求出的Vbi式，可得到：空間電荷區(qū)寬度與摻雜濃度有關第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一熱平衡狀態(tài)下pn結處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢差內建電場從n區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向p區(qū)空間電荷區(qū)，內建電場在p、n交界處最強因為是熱平衡狀態(tài)，p區(qū)、n區(qū)及空間電荷區(qū)內具有統(tǒng)一的費米能級空間電荷區(qū)內的漂移電流和擴散電流向平衡，無宏觀電流。p、n兩側的空間電荷總數(shù)量相等，對外部保持整體的電中性空間電荷區(qū)內無（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區(qū)；空間電荷區(qū)內形成內建電場，表現(xiàn)為電子的勢壘，因而又稱為勢壘區(qū)空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-xpxnEMax第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

這一關系給出了內建電勢差在p、n兩側的分配關系。這也解釋了為什么對于單邊突變結（p+n或pn+)來說，電壓主要降落在輕摻雜一側。

外加電壓同樣會分配在pn結兩側，其分配比例不變。因為在同樣的耗盡假設下，求解泊松方程的過程是完全相同的，只是將整個電場積分后的電勢差Vbi代換為Vbi-Vapp第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一零偏狀態(tài)下內建電勢差形成的勢壘維持著p區(qū)和n區(qū)內載流子的平衡內建電場造成的漂移電流和擴散電流相平衡第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一pn結的單向導電性pn結兩端加正向偏壓V后，V基本上全降落在耗盡區(qū)的勢壘上；由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。勢壘高度由平衡時的eVbi降低到了e(Vbi-V)；正向偏置電壓V在勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電場與自建電場方向相反，勢壘區(qū)中的電場強度減弱，并相應的使空間電荷數(shù)量減少，勢壘區(qū)寬度變窄。第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生了凈擴散流；電子：N區(qū)→P區(qū) 空穴：P區(qū)→N區(qū)熱平衡時載流子漂移流與擴散流相互抵消的平衡被打破：勢壘高度降低，勢壘區(qū)中電場減弱，相應漂移運動減弱，因而使得漂移運動小于擴散運動，產(chǎn)生了凈擴散流。第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一在空間電荷區(qū)的兩側產(chǎn)生了過剩載流子；通過勢壘區(qū)進入P區(qū)的電子和進入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過剩載流子。這稱為正向注入，由于注入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。邊界上注入的過剩載流子，不斷向體內擴散，經(jīng)過大約幾個擴散長度后，又恢復到了平衡值。第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一外加偏壓時勢壘區(qū)附近的載流子分布準費米能級用準費米能級代替費米能級的位置，給出的是對應的載流子在非平衡態(tài)條件下的密度

導帶電子準費米能級EFN和價帶空穴準費米能級EFP類似于平衡態(tài)非簡并半導體的載流子濃度公式：非平衡態(tài)下的載流子濃度可寫為：（2.1）

（2.2）

第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一變換上兩式

（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）小注入：由于注入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一pn結的零偏、正偏和反偏考慮小注入情況在視類區(qū)域內空穴密度近似等于熱平衡時的空穴密度，其費米能級近似為熱平衡狀態(tài)時的空穴費米能級第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一正向偏壓下第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一反向偏壓下，在x=xn處的邊界處的空穴密度為：在x=-xp處的邊界處的電子密度為：第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一加正向電壓、反向電壓時的載流子密度和電流密度分布第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

由此，我們可以得出PN結處于正偏和反偏條件時，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布正偏反偏第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一正偏電流圖像當電流由P區(qū)歐姆接觸進入時，幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴在外電場作用下向電源負極漂移； 由于少子濃度遠小于多子濃度可以認為這個電流完全由多子空穴攜帶?？昭ㄑ豿方向進入電子擴散區(qū)以后，一部分與N區(qū)注入進來的電子不斷地復合，其攜帶的電流轉化為電子擴散電流；第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一另一部分未被復合的空穴繼沿x方向漂移，到達-xp的空穴電流，通過勢壘區(qū)；若忽略勢壘區(qū)中的載流子產(chǎn)生-復合，則可看成它全部到達了xn處，然后以擴散運動繼續(xù)向前，在N區(qū)中的空穴擴散區(qū)內形成空穴擴散流；

在擴散過程中，空穴還與N區(qū)漂移過來的電子不斷地復合，使空穴擴散電流不斷地轉化為電子漂移電流；直到空穴擴散區(qū)以外，空穴擴散電流全部轉化為電子漂移電流。忽略了少子漂移電流后，電子電流便構成了流出N區(qū)歐姆接觸的正向電流。空穴電流與電子電流之間的相互轉化，都是通過在擴散區(qū)內的復合實現(xiàn)的，因而正向電流實質上是一個復合電流。第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一反偏電流圖像pn在反向偏置下，

P區(qū)的多子空穴受外電場的作用向P區(qū)的歐姆接觸負電極漂移，同時增強的空間電荷區(qū)電場也不斷地把N區(qū)的少子空穴拉過來；

N區(qū)的電子受外電場作用向N區(qū)的歐姆接觸正電極漂移，同時空間電荷區(qū)自建電場亦不斷地把P區(qū)的少子電子拉過來；N區(qū)邊界xn處的空穴被勢壘區(qū)的強電場驅向P區(qū)，而P區(qū)邊界-xp處的電子被驅向N區(qū)，當這些少數(shù)載流子被電場驅走后，內部的少子就來補充，形成反偏下的空穴擴散電流和電子擴散電流。這種情況好象少數(shù)載流子不斷地被抽向對方，所以稱為少數(shù)載流子的抽取。第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一勢壘高度和載流子濃度的對應關系偏壓對空間電荷區(qū)邊界處注入的非平衡載流子濃度的調制理想pn結電流-電壓關系正偏狀態(tài)的pn結，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指數(shù)增加。反偏時趨于飽和當產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除以后，非平衡載流子也就逐漸消失，半導體最終恢復到平衡態(tài)。半導體由非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)的過程，也就是非平衡載流子逐步消失的過程，稱為非平衡載流子的復合。第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一PN結電容第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一小節(jié)勢壘高度和載流子濃度的對應關系偏壓對空間電荷區(qū)邊界處注入的非平衡載流子濃度的調制理想pn結電流-電壓關系正偏狀態(tài)的pn結，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指數(shù)增加。反偏時趨于飽和隨著溫度的升高，反偏飽和電流增大，相同正向電流下的偏壓降低利用溫度特性可以制成對溫度敏感的二極管，作為溫度探測器件。但同時二極管的溫度特性要求二極管要正確應用，避免形成溫度正反饋導致燒毀當pn結二極管的中性區(qū)長度遠小于擴散長度時為短二極管，擴散區(qū)縮短，擴散區(qū)內的復合作用可以忽略。雙極晶體管中的EB結通常就是一個短pn結第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一再利用上述兩個邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運方程最終的解為：對于Wn<<Lp的條件，我們還可以對上式做進一步的簡化，因為此時有：再利用上述兩個邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運方程最終的解為：第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一單邊突變結：一側高摻雜，而另一側低摻雜的突變結p+n或pn+單邊突變結空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側擴展單邊突變結的勢壘主要降落在輕摻雜一側第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第63頁，共69頁，2023年，2