1、半導(dǎo)體器件物理之物理電流電壓特性第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二正向和反向偏置下的能帶圖、電勢(shì)分布和載流子濃度分布2第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二熱平衡時(shí),波耳茲曼關(guān)系: 本征能級(jí)電勢(shì)費(fèi)米能級(jí)電勢(shì)熱平衡時(shí)3第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二外加電壓, 結(jié)兩側(cè)的少數(shù)載流子密度變化, 電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 正向偏置反向偏置4第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二根據(jù)電流密度方程: 同理: 電子和空穴的電流密度正比于各自的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)梯度 熱平衡狀態(tài): 5第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日

2、，1點(diǎn)43分，星期二正向和反向偏置下的能帶圖、電勢(shì)分布。 6第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二結(jié)上的靜電勢(shì)差： P型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=-xp的電子濃度: n型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=xn的空穴濃度: 理想電流電壓方程最重要的邊界條件。 PN結(jié)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度: 正向偏壓時(shí),邊界的少數(shù)載流子濃度比平衡時(shí)要大,反向偏壓時(shí)要小.7第7頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二正向和反向偏置下的能帶圖和載流子濃度分布 8第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二根據(jù)連續(xù)性方程，靜態(tài)時(shí), 對(duì)N區(qū): 凈復(fù)合率利用電中性（nn-nn0) (pn

3、-pn0)，結(jié)合愛(ài)因斯坦關(guān)系： 乘以 ppn 乘以 nnn +9第9頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二其中： 小注入假設(shè)：n型區(qū) 比較 10第10頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二無(wú)電場(chǎng)的中性區(qū),進(jìn)一步簡(jiǎn)化： x=xn: 邊界條件:x=-xp: 同理 11第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二正向偏置狀態(tài): 載流子分布和電流密度分布12第12頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二反向偏置狀態(tài): 載流子分布和電流密度分布 13第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二總電流： 肖克萊方程，理

4、想二極管定律 理想的電流-電壓特性 (a)線(xiàn)性坐標(biāo)，(b)半對(duì)數(shù)坐標(biāo) 14第14頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二溫度對(duì)飽和電流密度的影響: p+-n單邊突變結(jié): 施主濃度ND, 都與溫度有關(guān)與指數(shù)項(xiàng)相比,前面一項(xiàng)與溫度的關(guān)系并不重要. 反向, |JR|JS,電流按照 關(guān)系隨溫度增加; 正向, 電流大致按 變化. 15第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二3。電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程 表面效應(yīng)表面離子電荷 耗盡層內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合大注入串聯(lián)電阻效應(yīng)大的反向電場(chǎng)，結(jié)的擊穿偏離理想情形 反向偏置下 耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過(guò)程 載流子發(fā)射過(guò)程 產(chǎn)生

5、與復(fù)合過(guò)程對(duì)電流-電壓特性的影響: 正向偏置下 耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過(guò)程 載流子俘獲過(guò)程 產(chǎn)生-復(fù)合速率 16第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率： 有效壽命 pnni nn3kT/q時(shí)，有： 總的正向電流： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般可用經(jīng)驗(yàn)公式： 復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)：n=2， 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)：n=1, 兩種電流相當(dāng)：1n2 . 復(fù)合電流： 理想系數(shù)22第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二實(shí)際Si二極管的電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū)擴(kuò)散電流區(qū)大注入?yún)^(qū)串聯(lián)電阻效應(yīng)產(chǎn)生=復(fù)合與表面效應(yīng)等引起的反向漏電流23第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，

6、5月20日，1點(diǎn)43分，星期二正向偏置，大電流密度 少數(shù)載流子密度與多數(shù)載流子密度可以比擬，在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生電場(chǎng)和載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。 3。電流-電壓特性大注入條件 p+-n結(jié)正向大注入效應(yīng)P區(qū)n區(qū)載流子密度X=0n(x)p(x)EX=x24第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二必須同時(shí)考慮電子和空穴的漂移和擴(kuò)散電流分量。 空穴電流密度： 此區(qū)間的電子電流密度： 可以求出漂移電場(chǎng)： 大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍25第25頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二N區(qū)有電場(chǎng)，則結(jié)區(qū)以外的區(qū)域產(chǎn)生壓降，使得加在結(jié)上的電壓降低。結(jié)區(qū)壓降N區(qū)壓降大注入時(shí)，結(jié)上的壓降與外電壓和n

7、區(qū)少子濃度有關(guān)。26第26頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二由于在結(jié)區(qū)以外的壓降，大注入使電流-電壓關(guān)系改變，由原來(lái)的exp(qV/kT)，變成exp(qV/2kT)27第27頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二工作在不同電流密度下Si p+-n 結(jié)的載流子濃度，本征費(fèi)米能級(jí)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電流密度: 10A/cm2 103A/cm2 104A/cm2p+-n結(jié)28第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二在大注入時(shí)，還要考慮與準(zhǔn)中性區(qū)和歐姆接觸的電阻相聯(lián)系的串聯(lián)電阻效應(yīng) 為減少PN結(jié)的體電阻，采用外延方法,可大大降低串聯(lián)電阻效應(yīng). 串

8、聯(lián)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻使得中性區(qū)上的壓降IR 降低了耗盡區(qū)的偏壓. 理想電流降低一個(gè)因子，使電流隨電壓的上升而變慢 。當(dāng)電流足夠大時(shí)，外加電壓的增加主要降在串聯(lián)電阻上，電流-電壓近似線(xiàn)性關(guān)系。 29第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二4。擴(kuò)散電容 反向偏置耗盡層電容占據(jù)了結(jié)電容的大部分， 正向偏置中性區(qū)少數(shù)載流子密度的再分布對(duì)結(jié)電容有貢獻(xiàn) -擴(kuò)散電容 。 正向偏置 + 一小的交流信號(hào)： 總電壓： 總電流： 電壓和電流密度的小信號(hào)振幅 可得到耗盡區(qū)邊界的電子和空穴密度隨時(shí)間的變化。 將總電壓代入如下方程, 30第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二耗盡區(qū)邊界的空穴密度小信號(hào)交流分量： 若 V1LP ，可得到N型中性區(qū)空穴的交流分量 ： x=xn 處，空穴電流密度 ： 33第33頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)43分，星期二總交流電流密度 ： 交流導(dǎo)納 ： x=