双极型半导体器件

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1、第二章双极型半导体器件2.1pn结及其电流—电压特性2.1.1平衡pn结一、平衡pn结及其能带结构空间电荷区pn结：两块掺杂浓度均匀的n型及p型半导体紧密结合形成右图所示结构，称之为pn结。空间电荷：在pn结界面附近形成的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷。黄君凯教授内（自）建电场：空间电荷区中产生的，从n区指向p区的电场称为内(自)建电场。热平衡pn结：在无外加偏压情况，pn结界面附近载流子的扩散和漂移运动达到平衡时称为热平衡pn结。[过程表示]扩散运动空间电荷区内建电场漂移运动热平衡pn结特征：内建电场一定，空间电荷数量和区域宽

2、度一定。黄君凯教授2.能带结构pn结未形成前情况特征：没有统一费米能级由于：结果：电子从n区向p区扩散。pn结形成后情况特征：热平衡时存在统一费米能级（扩散、偏移两种运动达至动态平衡）结果：能带弯曲形成势垒，势垒高度为，单位为eV黄君凯教授pn结接触电势（内建电势）（2-1）注意：本征费米能级，与半导体掺杂浓度无关，故n型及p型本征费米能级及总是位于禁带中央，且弯曲情况与和相同。二、平衡pn结接触电势在热平衡pn结的n区和p区中，由式（1-15），有：联立两式，易得：黄君凯教授室温下：则：（2-2）同理：由式（1-16），室温下也可得到

3、：（2-3）黄君凯教授三、平衡pn结中的载流子分布考虑平衡pn结中任一点，对电子浓度来说，由式（1-15），有：也即：注意，这里。可见随着与距离增大，差值也不断增大，故呈现指数衰减。黄君凯教授边界条件：即：（2-5）对空穴浓度来说，同理，注意到，由式（1-16）可得：（2-6）可见，随与距离增大而呈指数衰减。边界条件：即：（2-7）黄君凯教授一、非平衡pn结及其能带结构（1）正偏（）打破平衡扩散流>漂移流非平衡载流子互相注入2.1.2非平衡pn结空间电荷区：能带结构：削弱势垒高度：空间电荷数量，宽度减少。（由注入能量维持）势垒区：漂移运

4、动扩散区：扩散运动（假定：没有载流子产生及复合）（描述：用准费米能级描述）黄君凯教授（2）反偏：打破平衡漂移流>扩散流非平衡少数载流子互相抽取空间电荷区：能带结构：加强势垒高度：空间电荷数量，宽度增大。（由提供能量维持）扩散区：反向扩散运动势垒区：漂移运动（描述：用准费米能级描述）（假定：没有载流子产生及复合）黄君凯教授二、非平衡pn结中载流子分布和电流分布（1）正偏注意：少子扩散流占各区主导地位，势垒区电流为恒量。p区（电子扩散区）n区（空穴扩散区）非平衡载流子注入电子非平衡少子注入非平衡多子产生空穴非平衡多子产生非平衡少子注入电流密

5、度J形成少子扩散电流至中性区减为零参与复合使中性区漂移流减少参与复合使中性区漂移流减少形成少子扩散电流至中性区减为零黄君凯教授（2）反偏注意：少子反向扩散流占各区主导地位。p区（电子扩散区）n区（空穴扩散区）非平衡流子抽取电子非平衡少子抽取非平衡多子复合空穴非平衡多子复合非平衡少子抽取电流密度J非平衡少子形成反向扩散电流非平衡少子形成反向扩散电流参与复合使中性区漂移流减少参与复合使中性区漂移流减少黄君凯教授黄君凯教授黄君凯教授2.1.3pn结的伏安特性一、理想pn结模型符合下述条件称为理想pn结模型：小注入条件；2.耗尽层中不存在载流子

6、产生和复合：电子、空穴电流为常量；3.突变耗尽层条件：耗尽层电荷完全由电离施主和电离受主电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性，外加电压完全降落在耗尽层上。黄君凯教授二、非平衡pn结势垒区边界的载流子分布（外加偏压为）非平衡状态下扩散区中总的少子浓度（以n区为例）由式（1-42）：非平衡状态下扩散区/势垒区边界总的少子浓度（以n区为例）用到式（1-16），记用到式（2-7）黄君凯教授当时，；当时，。非平衡状态下扩散区/势垒区边界处注入的载流子浓度（2-8）同理：（2-9）三、电流电压方程通过pn结的总电流可以写成：（2-10）黄君凯教授计算

7、及将式（1-58），起点从处变换坐标为，则当时，有：代入式（1-61）：可见呈指数衰减。当时：，以式（2-8）代入：（2-11）黄君凯教授同理：（2-12）理想二极管定律将式（2-11）（2-12）代入式（2-10），可得到理想pn结电流电压方程：（2-13）一般可写成：（2-14）黄君凯教授式中系数为：（2-15）电子电流空穴电流式（2-14）称理想二极管定律。并可简化成：正偏：（2-16）反偏：（2-17）注意，式（1-14）给出的曲线称为pn结理想伏安特性曲线，如上图。特别地，时，J相当大，这个电压称pn结导通电压，它是使二极管导

8、通所需的正向压降，例：。黄君凯教授2.1.4pn结空间电荷区的产生–复合电流若势垒区中存在有效复合中心，由式（1-45），有以式（1-43）应用于外偏压为的pn结势垒区，则：代入上式：（2-18）反偏：产生