2-22非平衡PN结

Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices加偏压PN结第二章PN结Lecture2：§2.2一、加偏压的非平衡PN结1、加正向偏压及能带图2、加反向偏压及能带图二、少数载流子的注入与输运Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices一、加偏压的非平衡PN结当在PN结两端施加电压时，热平衡就要破坏，就有电流在半导体内流过。一般情况下，空间电荷区的电阻远远高于电中性区。使得后一区域内的电位降在与前者相比时可以忽略不计，外加电压直接加于空间电荷区的两端，传导电流的大小强烈地依赖于外加电压的极性。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices1、正向偏置及能带图外加正向偏压时，在势垒区产生一个外加电场，其方向与原来的自建电场方向相反，从而消弱了势垒区电场的强度。加正向偏压，耗尽区变窄自建电场外加电场Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices由于势垒区电场削弱，势垒区的空间电荷数量将减小，势垒宽度变窄。同时，势垒区两边的电势差降低，因此，非平衡PN结的能带相对于平衡PN结发生了变化。能带图，势垒高度降低准费米能级错开，使得边缘处出现过量载流子Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices减小的势垒高度允许多数载流子扩散通过PN结，以至形成了大的电流。称之为正向偏压，给PN结造成了低阻的通路加正向偏压Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices2、反向偏置及能带图外加反向电压，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场，空间电荷区的宽度变宽。自建电场外加电场Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices内电场对多子扩散运动的阻碍增强，增高的势垒阻挡载流子扩散，通过PN结的电流非常小，结的阻抗很高，PN结呈现高阻性称为加反向电压，简称反偏。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices突变结耗尽区的宽度变化为：线性缓变结耗尽区的宽度变化为：耗尽层的宽度随反向电压的增加而增加2/102dqNW2/10(2dRqNVW3/1012qaW3/10)(12qaVWRProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices在正向偏压时，载流子注入是穿过空间电荷区进行的。在小电流时，注入载流子浓度没有达到严重影响空间电荷的地步，可以用-V代替VR。但当电流增加到使得空间电荷区的载流子与固定的杂质离子浓度可比拟时,上式不适用。且在实际应用中，对于正向电流的大部分范围上式都不适用。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices二、少数载流子的注入与输运在正偏时，电子从N区扩散（或注入）到P区，空穴从P区扩散到N区，这种现象称为PN结的正向注入效应。空穴：电子：P区N区扩散PNN区P区扩散Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices1、空间电荷效应和扩散近似电场吸引过量电子以中和注入的空穴注入的空穴10121051012图2-6注入PN结N侧的空穴及其所造成的电子分布对于N侧，由于注入过量空穴的正电荷存在，建立起一瞬间电场。此电场吸引过量电子以中和注入的空穴，并使电中性得以恢复。在注入载流子存在的区域不存在电场。可能有很高的过量载流子浓度而无显著的空间电荷效应。1015Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices由于上述现象的存在，正偏时，注入的少数载流子是决定因素。多子处于被动的地位，只限于中和少子所引起的电场，可以忽略多子的影响。在注入载流子的区域，假设电中性条件完全满足，则少子就是仅存的一种类型载流子。这些载流子由于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区运输。这种处理方法称为扩散近似。扩散近似扩散近似Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices则空穴的连续性方程变为：)()(nnnpppdxdnDnqAIdxdpDpqAIppppGxpxpDtp22令：0dxdpqADInpppnnnpnppxpDtp022空穴电流为：Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices同理，P侧电子的电流和连续性方程变为：nnnnGxnxnDtn22dxdnqADIpnnnpppnpnnxnDtn022电子电流为：通过适当的边界条件可得到注入的空穴、电子的分布和电流大小。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices2、结边缘少子浓度（1）自建电势与平衡载流子浓度关系热平衡PN结电位差：nn0、np0分别表示N侧和P侧热平衡时的电子浓度pp0、pn0分别表示P侧和N侧热平衡时的空穴浓度反映了热平衡时两边载流子浓度与势垒高度的关系多数载流子pp0和nn0分别代替Na和Nd20lniadTpnnNNVp0n02p0n00lnlnnnVnpnVTiTTVepp/n0p00TVenn/p0n00同理2p0p0inpn2n0n0inpnProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（2）施加偏压与载流子浓度关系正向偏压时：结电势nn、np分别表示N侧和P侧空间电荷区边缘的非平衡电子浓度TVenn/p0n00TVVenn/)(pn0Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices小注入时，N侧注入电子的浓度远小于nn0，因此，假设nn=nn0同理，N侧空间电荷区边缘的空穴浓度（少子）：确定：空间电荷区边缘少子浓度P侧空间电荷区边缘的电子浓度（少子）：np0表示P侧热平衡时的电子浓度pn0表示N侧热平衡时的空穴浓度TVenn/p0n00TVVenn/)(pn0TVVenn/p0pTVVepp/n0nP侧N侧〓Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices正偏时正偏时，外加电场与自建电场相反，空间电荷区被消弱，电子从N区扩散（或说注入）到P区，空穴从P区扩散到N区，导致P侧结边缘电子浓度大于平衡值：npnp0，N侧结边缘的空穴浓度大于平衡值：pnpn0，这种现象称为正向注入效应。电子扩散空穴扩散npnp0pnpn0P区N区Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices反偏时外加电场与自建电场方向相同，空间电荷区电场加强，结边缘空间电荷区N区边界的空穴浓度低于平衡值：pnpn0，使得其边界附近的空穴就向空间电荷区扩散，而且一旦进入空间电荷区，就立即被电场扫向P区。同理，P区边界的电子浓度也低于平衡值：npnp0，使得其边界附近的电子就向空间电荷区扩散，而且一旦进入空间电荷区，就立即被电场扫向N区。这种现象称为反向少子抽取作用。pnnp少子空穴扩散少子电子扩散Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices对于线性缓变结，耗尽层内空间电荷分布可表示为：式中，a为杂质浓度的斜率泊松方程改写为：)2()(2cxqadxdx求积分得到电场：线性缓变结的电场强度也是在P区和N区的交界面处最大，而边界处为零。与单边突变结不同的是，其正、负电荷区的宽度相等。即：xn=xp=1/2W)(22daNNqdxdaxqdxd22axNNadProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices82qaWc电场强度分布：边界条件：0)2(,2WWx82qaWM)2()(2cxqax82)(22qaWqaxxProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（2）电势和空间电荷区的宽度由于：空间电荷区的电势差：空间电荷区的宽度：00)(0cx,x12)2()2(30qa310)12(qaWcxqaWxqadxxx86)()(23Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices0adNNpnaxNNad（中性区，空间电荷的总密度为零）iTpnnaWV2ln20TVienn/TVienp/iTnnawV2ln)2(/22TViWxWxadenawaxnNN)2(/22TViWxWxdaenawaxpNNiTpnawV2lnN侧中性区电子的浓度P侧中性区空穴的浓度（空间电荷区的电荷分布）（1）（2）（3）（4）得证