8第二章2.42.5空间电荷区的复合产生电流与隧道电流课件

《8第二章2.42.5空间电荷区的复合产生电流与隧道电流课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《8第二章2.42.5空间电荷区的复合产生电流与隧道电流课件（34页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、Physics of Semiconductor Devices2.4 空间电荷区的复合电流 空间电荷区的产生电流2.5 隧道电流影响PN结伏安特性的因素Physics of Semiconductor Devices正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，边缘的载正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，边缘的载流子浓度增加，以致于大于平衡载流子浓度流子浓度增加，以致于大于平衡载流子浓度（pn ni2）。这些这些过量的载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值。过量的载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值。空间电荷区会有复合，即：空间电荷区内存在复合电流。空间电荷区会有

2、复合，即：空间电荷区内存在复合电流。一 正向PN结空间电荷区复合电流Physics of Semiconductor DevicesABCD:电电子子的的注注入入电电流流，AB段段：电电子子从从N区区注注入入到到P区区后后，与与在在B点与从左方来的空穴点与从左方来的空穴C复合；复合；ABCD:空空穴穴的的注注入入电电流流，AB段段：空空穴穴从从P区区注注入入到到N区区后后，与在与在B点与从右方来的电子点与从右方来的电子C复合；复合；EFGH：PN结空间电荷区中复合中心造成的复合电流。空间电荷区内的复合电流Physics of Semiconductor Devices正向PN结空间电荷区中的费

3、米能级注注入入的的扩扩散散电电流流和和空空间间电电荷荷区区中中的的复复合合电电流流的的区区别别：复复合合地地点点不不同同；在在电电子子或或空空穴穴扩扩散散区区中中电电子子和和空空穴穴一一个个是是多多子子，一一个个是是少少子子，其其浓浓度度相相差差很很大大。在在空空间间电电荷荷区区，位位于于禁禁带带中中央央附附近近的的复复合合中中心心能能级级处处，有有Et=Ei，即即电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度基基本本相相等等，所所以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。Physics of Semiconductor Devices复合电流定义为：复合电流定义为：空

4、间电荷区的宽度载流子通过复合中心复合的复合率最大复合率最大复合率（Et=Ei 时）时）：（1-208）Et=EiPhysics of Semiconductor Devices可得可得最大复合率：最大复合率：Physics of Semiconductor Devices在在低低电电流流水水平平时时，复复合电流成分占优势。合电流成分占优势。斜斜率率增增加加，说说明明扩扩散散电流在增加。电流在增加。在在高高电电流流水水平平，串串联联电电阻阻造造成成的的较较大大欧欧姆姆电电压压降降支支配配着着电电流流-电电压特性。压特性。硅扩散结的电流-电压特性斜率变化Physics of Semiconduct

5、or Devices扩散电流：扩散电流：扩散电流与复合电流的比较：扩散电流与复合电流的比较：若若(ni/Nd)越越小小，电电压压越越低低，则则势势垒垒区区复复合合电电流流的的影影响响越越大大。禁禁带带宽宽度度较较小小的的半半导导体体材材料料，ni 比比较较大大。用用硅硅制制作作的的PN结结：在在小小注注入入情情况况下下，正正向向电电流流可可能能由由势势垒垒区区的的复复合合电电流流所所控控制制，锗锗PN结结：空空间间电电荷荷区区复复合合电电流流的的影影响响可可以以忽忽略略不不计计，正正向向电电流流按按通通常常扩扩散散电电流流的的规规律律而而变变化化。这这两两种种材材料料做做成成的的PN结，当电压

6、增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。结，当电压增加时，扩散电流的作用变得越来越主要。表明：P+N结结？PN+结结？NdPhysics of Semiconductor DevicesPN结结反反偏偏时时，由由于于空空间间电电荷荷区区对对载载流流子子的的抽抽取取作作用用，空空间间电电荷荷区区的的载载流流子子浓浓度度低低于于平平衡衡值值（pn ni2），所所以以产产生生率率大大于于复复合合率率，净净产产生生率率不不为为零零，空空间间电电荷荷区区内内存存在在产产生生电电流流。体体内内扩扩散散电电流流来来自自PN结结两两侧侧P区区和和N区区内内产产生生的的电电子子和和空空穴穴，而而空空间间电电荷荷区

7、区中中的的产产生生电电流流，是是指指空空间间电电荷荷区区中中复复合合中中心心产产生生出出来来的的电子空穴对形成的电流。电子空穴对形成的电流。二 反向PN结空间电荷区产生电流Physics of Semiconductor DevicesCBAD:反向电子扩散电流，在反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子区通过复合中心产生的电子A和空穴和空穴B，电子由电子由A扩散到扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到结空间电荷区，并被电场扫到N区区流向右方，而空穴流向左方。流向右方，而空穴流向左方。CBAD空穴空穴EFGH：PN结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场结空间电荷区中复合中心产生的电子

8、空穴对被电场分别扫进分别扫进N区和区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流。附加的反向电流。反向电流产生的物理过程Physics of Semiconductor Devices空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，PNPN结空结空间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合中心数目增多，所以产生电流中心数目

9、增多，所以产生电流增大增大。U=pp0，注注入入P区区的的非非平平衡衡少少子子电电子子将将产产生生积积累累，为为了了维维持持电电中中性性要要求求必必然然要要求求多多子子空空穴穴也也有有同同样样的的积积累累，即即有有np(xp)=pp(xp)，且且与与少少子子具具有有相相同同的的浓浓度度梯梯度度。多多子子空空穴穴存存在在浓浓度度梯梯度度，必必然然使使空空穴穴产产生生扩扩散散趋趋势势，一一旦旦空空穴穴离离开开，P区区的的电电中中性性就就被被破破坏坏，在在P区区建建立立了了一一个个电电场场E,称称为为大注入自建电场。显显然然：该该电电场场的的方方向向是是阻阻止止空空穴穴扩扩散散，却却加加速速了了电子

10、的扩散。电子的扩散。以以PN为例：为例：Physics of Semiconductor Devices此时，此时，PN结正向电流电压关系修正为：结正向电流电压关系修正为：小注入电流比较Physics of Semiconductor DevicesPN+N区的掺杂浓度远大于区的掺杂浓度远大于P区的掺杂浓度，区的掺杂浓度，N区的平衡多子浓度远区的平衡多子浓度远大于大于P区的平衡多子浓度，即：区的平衡多子浓度，即：nn0pp0，则有：则有：np0pn0。因。因此：此：小注入电流：思考：思考：对于对于P+N？Physics of Semiconductor Devices（1）在在小小注注入入时时

11、，少少子子电电子子在在P区区只只作作扩扩散散运运动动，忽忽略略了了P区区电电场场的的作作用用；在在大大注注入入时时，电电场场的的作作用用对对电电子子的的漂漂移移作作用用不不能能忽忽略略。若若将将漂漂移移运运动动等等效效为为扩扩散散运运动动，相相当当于于加加速速了了扩扩散散运运动动，使等效扩散系数增加一倍。使等效扩散系数增加一倍。（2）大大注注入入时时，正正向向电电流流随随电电压压的的增增加加上上升升缓缓慢慢。这这是是因因为为外外加加电电压压不不是是全全部部降降落落在在势势垒垒区区，而而是是有有一一部部分分降降落落在在P区区，以以建建立立P区的自建电场，维持多子积累，保持电中性。区的自建电场，维

12、持多子积累，保持电中性。（3）大大注注入入时时，空空穴穴电电流流密密度度与与P区区杂杂质质浓浓度度无无关关。因因为为注注入入的少子浓度比的少子浓度比P区杂质浓度高得多。区杂质浓度高得多。Physics of Semiconductor Devices六 隧道电流当当P侧侧N侧侧均均为为重重掺掺杂杂时时，有有些些载载流流子子可可能能穿穿透透（代代替替越越过过）势垒而产生额外的电流，这种机制称为量子力学的隧道效应。势垒而产生额外的电流，这种机制称为量子力学的隧道效应。（1）费术能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有较高的隧道穿透率；（3）在相同的能量水平上，在一侧的能带中有电

13、子而在另一 侧的能带中有空状态。条件：条件：当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体，这些条件就得到满足Physics of Semiconductor Devices各种偏压条件下隧道结的能带图图(a)1 1、绝对零度、绝对零度（0K）和没有外加偏压时：和没有外加偏压时：费米能级以下的状态都被占据，费米能级以上的状态都是空的费米能级以下的状态都被占据，费米能级以上的状态都是空的（1）隧道电流的产生）隧道电流的产生Physics of Semiconductor DevicesN侧侧导导带带中中一一些些电电子子的的能能量量被被提提高高到到与与P侧侧空空状状态态相相对对应应的的水水平平，电子可能

14、隧道穿透结势垒以产生电流。电子可能隧道穿透结势垒以产生电流。图(b)各种偏压条件下隧道结的能带图2 2、施加正向偏压时：、施加正向偏压时：电流的大小：受穿透电子数和空状态的限制Physics of Semiconductor Devices图(c)在在该该偏偏压压条条件件下下，隧隧道道电电流流最最大大。进进一一步步增增加加正正向向偏偏压压，电流将减小：电流将减小：P侧能容纳隧道穿透电子的空状态变少。侧能容纳隧道穿透电子的空状态变少。Physics of Semiconductor Devices图(d)隧道电流为零。隧道电流为零。Physics of Semiconductor Devices

15、在反向偏压时，反向隧道电流随着反偏压的增加而增加。在反向偏压时，反向隧道电流随着反偏压的增加而增加。图(e)3 3、施加反向偏压时：、施加反向偏压时：思考？思考？Physics of Semiconductor Devices（2）隧道二极管）隧道二极管除除隧隧道道电电流流外外，扩扩散散电电流流在在高高的的偏偏压压下下变变得得更更为为重重要要。包包括括隧隧道电流分量和扩散电流分量的结电流电压特性隧道二极管道电流分量和扩散电流分量的结电流电压特性隧道二极管隧道/江崎二极管1973年诺贝尔物理学奖得主年诺贝尔物理学奖得主Leo Esaki Physics of Semiconductor Devi

16、ces（3）反向二极管）反向二极管若掺杂密度稍予减少，使得正向隧道电流可以忽略不计。若掺杂密度稍予减少，使得正向隧道电流可以忽略不计。反向二极管Physics of Semiconductor Devices1、隧隧道道二二极极管管利利用用多多子子的的隧隧道道效效应应，单单位位时时间间通通过过PN结结的的多数载流子的数目起伏较小，二极管具有较低的噪声。多数载流子的数目起伏较小，二极管具有较低的噪声。2、隧隧道道结结是是用用重重掺掺杂杂的的简简并并半半导导体体制制成成的的，由由于于温温度度对对多多子子的影响小，隧道二极管的工作温度范围大。的影响小，隧道二极管的工作温度范围大。3、隧隧道道效效应应的的本本质质是是量量子子跃跃迁迁过过程程，电电子子穿穿越越势势垒垒及及其其迅迅速速，不受电子渡越时间的限制，可以工作在极高的频率下。不受电子渡越时间的限制，可以工作在极高的频率下。隧道二极管特点：隧道二极管特点：Physics of Semiconductor Devices隧道二极管应用：隧道二极管应用：振荡器、双稳态触发器和单稳态触发器；高速逻辑电路、振荡器、双稳态触发器和单稳态触发器；高速逻辑电路、低噪音微波放大器等。低噪音微波放大器等。