半導(dǎo)體器件物理之物理電流電壓特性

半導(dǎo)體器件物理之物理電流電壓特性第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向和反向偏置下的能帶圖、電勢分布和載流子濃度分布2第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一熱平衡時(shí),波耳茲曼關(guān)系:本征能級電勢費(fèi)米能級電勢熱平衡時(shí)3第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一外加電壓,結(jié)兩側(cè)的少數(shù)載流子密度變化,電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級正向偏置反向偏置4第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)電流密度方程:同理:電子和空穴的電流密度正比于各自的準(zhǔn)費(fèi)米能級梯度熱平衡狀態(tài):5第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向和反向偏置下的能帶圖、電勢分布。6第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)上的靜電勢差：P型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=-xp的電子濃度:n型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=xn的空穴濃度:理想電流電壓方程最重要的邊界條件。PN結(jié)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度:正向偏壓時(shí),邊界的少數(shù)載流子濃度比平衡時(shí)要大,反向偏壓時(shí)要小.7第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向和反向偏置下的能帶圖和載流子濃度分布8第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)連續(xù)性方程，靜態(tài)時(shí),對N區(qū):凈復(fù)合率利用電中性（nn-nn0)~(pn-pn0)，結(jié)合愛因斯坦關(guān)系：乘以ppn乘以nnn+9第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一其中：小注入假設(shè)：n型區(qū)比較10第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一無電場的中性區(qū),進(jìn)一步簡化：x=xn:邊界條件:x=-xp:同理11第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向偏置狀態(tài):載流子分布和電流密度分布12第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一反向偏置狀態(tài):載流子分布和電流密度分布13第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一總電流：肖克萊方程，理想二極管定律理想的電流-電壓特性(a)線性坐標(biāo)，(b)半對數(shù)坐標(biāo)14第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一溫度對飽和電流密度的影響:p+-n單邊突變結(jié):施主濃度ND,都與溫度有關(guān)與指數(shù)項(xiàng)相比,前面一項(xiàng)與溫度的關(guān)系并不重要.反向,|JR|~JS,電流按照關(guān)系隨溫度增加;正向,電流大致按變化.15第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3。電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合過程

表面效應(yīng)—表面離子電荷耗盡層內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合大注入串聯(lián)電阻效應(yīng)大的反向電場，結(jié)的擊穿偏離理想情形反向偏置下耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過程載流子發(fā)射過程

產(chǎn)生與復(fù)合過程對電流-電壓特性的影響:正向偏置下耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過程載流子俘獲過程

產(chǎn)生-復(fù)合速率16第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一電子-空穴對的產(chǎn)生率：有效壽命pn<ninn<ni

反向偏置下載流子發(fā)射耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生電流：耗盡層寬度只有能級Et靠近本征費(fèi)米能級的產(chǎn)生中心,對產(chǎn)生率有顯著貢獻(xiàn)17第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一突變結(jié)：若有效壽命隨溫度緩變,則產(chǎn)生電流與ni有同樣的溫度關(guān)系，線性緩變結(jié)：總的反向電流=中性區(qū)的擴(kuò)散電流+耗盡區(qū)的產(chǎn)生電流：室溫下：若ni很大（例如Ge)，擴(kuò)散電流為主反向電流符合理想情況若ni很?。ɡ鏢i)，產(chǎn)生電流占優(yōu)勢高溫下：擴(kuò)散電流為主在給定溫度下,產(chǎn)生電流正比于耗盡層寬度,耗盡層寬度又與外加反向偏壓有關(guān)：18第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際Si二極管的電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū)擴(kuò)散電流區(qū)大注入?yún)^(qū)串聯(lián)電阻效應(yīng)產(chǎn)生-復(fù)合與表面效應(yīng)等引起的反向漏電流19第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向偏置下：俘獲過程

擴(kuò)散電流+復(fù)合電流Jrec若Ei=Et,n=p=將代入復(fù)合率20第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)電子與空穴的濃度和(n+p)為最小值時(shí),復(fù)合率U在耗盡區(qū)達(dá)到最大:即Ei恰好位于EFn和EFp的中間:21第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一V>3kT/q時(shí)，有：總的正向電流：實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般可用經(jīng)驗(yàn)公式：復(fù)合電流占優(yōu)勢：n=2，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢：n=1,兩種電流相當(dāng)：1<n<2.

復(fù)合電流：理想系數(shù)22第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際Si二極管的電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū)擴(kuò)散電流區(qū)大注入?yún)^(qū)串聯(lián)電阻效應(yīng)產(chǎn)生=復(fù)合與表面效應(yīng)等引起的反向漏電流23第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一正向偏置，大電流密度少數(shù)載流子密度與多數(shù)載流子密度可以比擬，在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生電場和載流子的漂移運(yùn)動。3。電流-電壓特性大注入條件

p+-n結(jié)正向大注入效應(yīng)P區(qū)n區(qū)載流子密度X=0n(x)p(x)EX=x’24第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一必須同時(shí)考慮電子和空穴的漂移和擴(kuò)散電流分量?？昭娏髅芏龋捍藚^(qū)間的電子電流密度：可以求出漂移電場：大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍25第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一N區(qū)有電場，則結(jié)區(qū)以外的區(qū)域產(chǎn)生壓降，使得加在結(jié)上的電壓降低。結(jié)區(qū)壓降N區(qū)壓降大注入時(shí)，結(jié)上的壓降與外電壓和n區(qū)少子濃度有關(guān)。26第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一由于在結(jié)區(qū)以外的壓降，大注入使電流-電壓關(guān)系改變，由原來的exp(qV/kT)，變成exp(qV/2kT)27第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一工作在不同電流密度下Sip+-n結(jié)的載流子濃度，本征費(fèi)米能級，準(zhǔn)費(fèi)米能級電流密度:10A/cm2103A/cm2104A/cm2p+-n結(jié)28第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一在大注入時(shí)，還要考慮與準(zhǔn)中性區(qū)和歐姆接觸的電阻相聯(lián)系的串聯(lián)電阻效應(yīng)為減少PN結(jié)的體電阻，采用外延方法,可大大降低串聯(lián)電阻效應(yīng).串聯(lián)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻使得中性區(qū)上的壓降IR降低了耗盡區(qū)的偏壓.理想電流降低一個因子，使電流隨電壓的上升而變慢。當(dāng)電流足夠大時(shí)，外加電壓的增加主要降在串聯(lián)電阻上，電流-電壓近似線性關(guān)系。29第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一4。擴(kuò)散電容反向偏置耗盡層電容占據(jù)了結(jié)電容的大部分，正向偏置中性區(qū)少數(shù)載流子密度的再分布對結(jié)電容有貢獻(xiàn)----擴(kuò)散電容。正向偏置+一小的交流信號：總電壓：

總電流：

電壓和電流密度的小信號振幅可得到耗盡區(qū)邊界的電子和空穴密度隨時(shí)間的變化。

將總電壓代入如下方程,30第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一耗盡區(qū)邊界的空穴密度小信號交流分量：

若V1<<kT/q=VT耗盡區(qū)邊界的電子密度也類似：

直流分量交流分量耗盡區(qū)邊界的空穴密度：

31第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一將pn代入連續(xù)性方程，或：考慮到G=0，32第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一邊界條件：N型中性區(qū)寬度>>LP，可得到N型中性區(qū)空穴的交流分量：x=xn處，空穴電流