第五讲 理想pn结直流伏安特性

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1、双极性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices第五讲理想pn结直流伏安特性一．理想pn结模型1.理想pn结模型近似条件1)耗尽层近似：空间电荷区的边界存在突变，并且耗尽区以外的半导体区域是电中性的。耗尽层不存在多余的离散离子；2)载流子的统计分布采用波尔兹曼分布近似；3)小注入假设Low-levelinjection：即注入的少数载流子浓度小于多数载流子浓度，掺杂都离化；4)在耗尽层内不存在产生-复合电流，并且在整个耗尽层内，电子电流和空穴电流恒定：PN结内的电流处处相等；PN结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数；耗尽区内的电子电流与空

2、穴电流为恒定值；2.近似条件(2)（玻尔兹曼分布）的应用：外加偏执电压下势垒区边界处载流子浓度：(1)平衡时边界处载流子浓度上一章的式(7.10)给出了内建电势差的表达式，即NNdaVVlnbit2ni将上式的两边除以VkTe/，两边取对数，可得t2neVibiexpNNadkT(8.1)假设杂质完全电离，则有nNnd0(8.2)其中n为n区内多子电子的热平衡浓度。在p区，可以写出n02ninp0Na(8.3)其中n为p区内少子电子的热平衡浓度。将式(8.2)与式(8.3)代入(8.1)，可得p0eVbinnexpp

3、n00kT双极性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices上式将热平衡状态下p区内少子电子的浓度与n区内多子电子的浓度联系在了一起。同理，n区少子空穴与p区多子空穴浓度的关系：eVbippexpnp00kT(2)平衡时边界处载流子浓度正偏时，式(8.4)中的V可由VV代替，那么式(8.4)可以写为bibiaeVbiVaeVbieVannexpnexpexpp0n0n0kTkTkT(8.5)由于我们采用了小注入假设，多子电子的浓度n基本上保持不变。但是少子浓度n0n

4、会偏离其热平衡值好几个数量级。由式(8.4)及式(8.5)，可以写出p0eVannexppp0kT(8.6)同理，得到正偏时n区少子空穴浓度：eVappexpnn0kT(8.7)由此，我们确定了势垒边界少子浓度的大小二．理想PN结直流伏安特性的定性分析1.零偏情况电子在扩散过程中“遇到”的势垒阻止了高浓度电子流流向p去并使其滞留在n区内。同样，空穴在扩散过程中“遇到”的势垒阻止了高浓度的空穴流向n区并使其滞留在p区内。势垒维持了热平衡。pn结处于平衡状态，V0，I0。a双极性器件物理PhysicsofSemiconductorDev

5、ices2.正偏情况（V0）a(1)正偏情况下载流子运动特点和电流大小此时，p区内的费米能级要低于n区的费米能级，总的势垒高度降低了。降低累的势垒高度意味着耗尽区内的电场也随着减弱。减弱了的电场意味着电子空穴不能分别滞留在n区和p区。于是pn结内有了一股由n区经空间电荷区向p区扩散的电子流。同样pn结内有一股由p区经空间电荷区向n区扩散的空穴流。电荷的流动形成了电流；(2)正偏电压增加导致电流急剧增加V增加，减小势垒高度，电流呈指数规律增加。a3.反偏情况（V0）a(1)反偏情况下载流子运动特点和电流大小由(8.6)与式(8.7)给出的空间电荷区边缘少子浓度的

6、表达式，是在正偏电压（V0）a的条件下推出的。但是我们应当注意，V也是可以取负值的(反偏)。当反偏电压达a到零点几伏时，由式(8.6)及式(8.7)可知，空间电荷区边缘处的少子浓度已经接近于零。反偏条件下的少子浓度低于热平衡值。(2)反偏电压绝对值增加情况下反向电流基本不变pn结二极管的理想I-V特性4.结论：PN结二极管具有单向导电性三．理想PN结直流伏安特性定量分析双极性器件物理PhysicsofSemiconductorDevices1.分析思路：由理想模型得到IIxIxIxIxpnpnpp**注意长二极管假设JJx()Jx(

7、)pnnJDeenEnnnxpJenEDepnpx因此，需要知道P区少子电子浓度，n区少子空穴浓度。2.I-V特性定量分析(1)基本方程2pppEpnnnnDEpgp2ppnpntxxxp2nnnEnppppDEngn2nnpnptxxxn条件：a.均匀掺杂、突变结：222ppnnppnn0222xxx222nnppnnpp0222xxx双极性器件物理PhysicsofSemiconductorDevicesb.小注入多子浓度

8、等于热平衡