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正偏pn结的大注入效应分析正向pn结的电流电压关系时,实际上假定了非平衡载流子在扩散区只有扩散运动,亦即扩散区为电中性的。当注入的非平衡载流子的浓度远低于多数载流子浓度时,即所谓小注入条件,上述假定是合理的。但如果注入的非平衡载流子与多数载流子的浓度相当,或大于多子浓度,即发生大注入时,扩散区的电中性假定不再成立。实验结果也指出,当pn结的电流密度较高时,半对数坐标平面上的电流电压关系曲线的斜率偏离q/kT,而趋于q/2kT。前面已经指出,正偏pn结空间电荷区直至空间电荷区边界处,都有)exp()()(2kTqVnxpxni(2.68)现以p+n结为例,如图所示,取n型侧空间电荷区边界为坐标原点,则有)exp()0()0(2kTqVnpni(2.69)定义注入的空穴浓度等于n区电子浓度为临界大注入条件,这时)2exp()0()0(kTqVnnpi(2.70)在大注入下,非平衡空穴形成浓度梯度的同时,电中性要求,必有相应的电子的浓度梯度的形成。载流子浓度梯度的存在,导致载流子从空间电荷区边界向n区内部扩散,空穴的扩散因有p区的注入而维持一定的浓度梯度(从而维持了外电路的稳定电流)。但电子的扩散无注入加以补充,导致近空间电荷区边界一侧电子欠缺,而在扩散区的另一侧电子过剩,电中性条件不再满足。在扩散区产生了指向n区内部的电场。电场的作用是使电子作反方向的漂移运动。当电子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,电场大小为定值,这一电场就称为大注入自建电场,如图所示。大注入自建电场的存在,非平衡空穴在扩散区不仅作扩散运动,而且也作漂移运动。现在求大注入自建电场的大小。当电子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,扩散区的净电子电流为零,于是)(xnEdxdnDnn=0(2.71)所以dxdnnDxEnn1)((2.72)因电子的扩散运动,扩散区的电子浓度分布与空穴分布略有差异,但仍可近似认为两者分布相等。利用爱因斯坦关系,可得pn结空间电荷区外侧空穴扩散区内大注入自建电场的形成ppnnDD大注入自建电场可改写为dxdppDxEpp1)((2.73)空穴电流dxdpqDpEqJppp(2.74)将大注入自建电场代入,得dxdpDqJpp)2((2.75)此式表明,大注入自建电场的漂移作用,等效于使空穴扩散系数增大一倍。大注入下,扩散区空穴分布函数形式不变,即)exp()0()(pLxpxp(2.76)将此分布代入(2.75)式,并令x=0,得到p+n结大注入下的空穴电流密度表达式)2exp()2(kTqVLnDqJpipp(2.77)这一关系式是大电流条件下,pn结电流-电压关系曲线斜率减小的原因之一。斜率减小的另一个原因是大电流下,半导体的体电阻上的压降不能再忽略不计。将小电流和大电流的情形一并考虑进去,可将pn结的电流电压方程写作下面的一般形式:]1)[exp(0nkTqVJJ(2.78)其中,n称为理想因子,其值在1~2之间变化。理想因子的测量常作为了解pn结特性的重要手段。
本文标题:正偏pn结的大注入效应
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