電子科技大學(xué)-半導(dǎo)體物理及器件-教學(xué)課件微電子器件2-3

1、2.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與大注入效應(yīng),平衡時(shí)的載流子濃度可表示為,2.3.1 自由能與費(fèi)米能級(jí) 在平衡狀態(tài)時(shí)，存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí) EF ，即電子與空穴有相同的費(fèi)米能級(jí)，并且費(fèi)米能級(jí)在半導(dǎo)體內(nèi)處處相等。,平衡 PN 結(jié)的能帶圖,N區(qū),P區(qū),2.3.2 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 在非平衡情形，不存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，但同一種粒子在同一地點(diǎn)的能量分布仍與費(fèi)米分布函數(shù)形式相同，為了能用類似描述平衡狀態(tài)的公式來(lái)描述非平衡狀態(tài)的載流子濃度分布，引入了 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 的概念。,設(shè) EFp 與 EFn 分別為空穴與電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，且均可隨 x 而變化，則非平衡狀態(tài)時(shí)的空穴和電子濃度仍可表示為,比較以上兩式可知，耗盡區(qū)中兩種準(zhǔn)費(fèi)米能

2、級(jí)之差為,由第 2.1 節(jié)已知在耗盡區(qū)中,外加正向電壓時(shí)的 PN 結(jié)能帶圖,耗盡區(qū)中， 這個(gè)差值就是勢(shì)壘高度比平衡時(shí)降低的數(shù)值。,耗盡區(qū)中同樣有 這個(gè)差值就是勢(shì)壘高度比平衡時(shí)增高的數(shù)值。,外加反向電壓時(shí)的 PN 結(jié)能帶圖,小注入條件：注入某區(qū)邊界附近的非平衡少子濃度遠(yuǎn)小于該區(qū)的平衡多子濃度。即：,2.3.3 大注入效應(yīng),PN 結(jié)在正向電壓下，勢(shì)壘區(qū)的兩側(cè)均有非平衡少子注入。以 N 區(qū)為例，當(dāng)有 pn 注入時(shí)，由于靜電感應(yīng)作用，在 N 區(qū)會(huì)出現(xiàn)相同數(shù)量的 nn 以使該區(qū)仍保持大體上的 電中性。,N 區(qū)少子 N 區(qū)多子 且,在 N 區(qū)中 xn 附近， 或在 P 區(qū)中（- xp）附近，,1、小注入條

3、件與大注入條件,N 區(qū),這時(shí)非平衡多子可以忽略，即,大注入條件：注入某區(qū)邊界附近的非平衡少子濃度遠(yuǎn)大于該區(qū)的平衡多子濃度。即,在 N 區(qū)中 xn 附近， 或在 P 區(qū)中（- xp）附近，,N 區(qū),當(dāng) N 區(qū)發(fā)生大注入時(shí)，在 xn 處，,由上式可知，pn = nn 或 nn pn = pn2,另一方面，已知在有外加電壓時(shí)，耗盡區(qū)中（包括耗盡區(qū)邊界處）的載流子濃度乘積為,2、大注入條件下的少子濃度邊界條件,同理，當(dāng) P 區(qū)發(fā)生大注入時(shí)在 -xp 處，,式（2-90a）和（2-90b）就是大注入下的結(jié)定律，也是大注入下少子濃度的邊界條件之一。,于是可得當(dāng) N 區(qū)發(fā)生大注入時(shí)在 xn 處，,（2-90

4、b）,（2-90a）,N 區(qū),3、大注入條件下的自建電場(chǎng),當(dāng) N 區(qū)發(fā)生大注入時(shí)，在耗盡區(qū)附近的 N 區(qū)中有 nn = pn ，但由于電子不可能象空穴那樣從 P 區(qū)得到補(bǔ)充，所以電子的濃度梯度將略小于空穴的濃度梯度。,電荷在空間上的分離形成了一個(gè)電場(chǎng) E ，它使空穴向右作漂移運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了原有的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；同時(shí)使電子向左作漂移運(yùn)動(dòng)，抵消了原有的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。利用 Jn = 0 的條件可求出 大注入條件下的自建電場(chǎng) E 。,令,得,N 區(qū),這相當(dāng)于空穴電流仍只由擴(kuò)散電流構(gòu)成，但擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)大了一倍。這個(gè)現(xiàn)象稱為 Webster 效應(yīng)。,4、大注入條件下的 PN 結(jié)電流,將大注入自建電場(chǎng)代入空穴電流密度方程

5、，得,利用 N 區(qū)的大注入少子邊界條件來(lái)求解擴(kuò)散方程，可得到 N 區(qū)內(nèi)的少子分布為（以 xn 處作為坐標(biāo)原點(diǎn)）,將大注入的 pn(x) 表達(dá)式代入 Jp 中，得,同理，若 P 區(qū)發(fā)生大注入時(shí)的電子電流為,由此可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生大注入時(shí)，PN 結(jié)的電流電壓關(guān)系為,這時(shí)，PN 結(jié)的 lnI V 特性曲線的斜率，將會(huì)從 小注入時(shí)的 ( q/kT ) 過(guò)渡到 大注入時(shí)的 ( q/2kT ) 。,（2-94）,（2-95）,注入的程度取決于外加電壓的大小。設(shè)由小注入向大注入過(guò)渡的 轉(zhuǎn)折電壓（膝點(diǎn)電壓）為 VK ,則通過(guò)令小注入和大注入的空穴電流密度表達(dá)式相等，可解得 N 區(qū)的轉(zhuǎn)折電壓為,5、轉(zhuǎn)折電壓,同理可得 P 區(qū)的轉(zhuǎn)折電壓為,問(wèn) VKN 與 VKP 各為多少？當(dāng)外加電壓 V = 0.80 V 時(shí)，pn(xn) 與np(-xp) 各為多少？,例 2.1 某硅突變結(jié)的,解：,對(duì)于 N 區(qū)，V VKN ，為大注