半導體器件物理之物理電流-電壓特性.ppt

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1 3 電流 電壓特性 理想情況 肖克萊方程 正偏 反偏 2 正向和反向偏置下的能帶圖 電勢分布和載流子濃度分布 3 熱平衡時 波耳茲曼關系 本征能級電勢 費米能級電勢 熱平衡時 4 外加電壓 結兩側的少數載流子密度變化 正向偏置 反向偏置 5 根據電流密度方程 同理 電子和空穴的電流密度正比于各自的準費米能級梯度 熱平衡狀態(tài) 6 正向和反向偏置下的能帶圖 電勢分布 7 結上的靜電勢差 P型一側耗盡區(qū)邊界x xp的電子濃度 n型一側耗盡區(qū)邊界x xn的空穴濃度 PN結邊界處的非平衡少數載流子濃度 正向偏壓時 邊界的少數載流子濃度比平衡時要大 反向偏壓時要小 8 正向和反向偏置下的能帶圖和載流子濃度分布 9 根據連續(xù)性方程 靜態(tài)時 對N區(qū) 凈復合率 利用電中性 nn nn0 pn pn0 結合愛因斯坦關系 乘以 ppn 乘以 nnn 10 其中 小注入假設 n型區(qū) 比較 11 無電場的中性區(qū) 進一步簡化 x xn 邊界條件 12 正向偏置狀態(tài) 載流子分布和電流密度分布 13 反向偏置狀態(tài) 載流子分布和電流密度分布 14 總電流 肖克萊方程 理想二極管定律 理想的電流 電壓特性 a 線性坐標 b 半對數坐標 15 溫度對飽和電流密度的影響 p n單邊突變結 施主濃度ND 與指數項相比 前面一項與溫度的關系并不重要 反向 JR JS 電流按照關系隨溫度增加 正向 電流大致按變化 16 3 電流 電壓特性 產生 復合過程 表面效應 表面離子電荷耗盡層內載流子的產生和復合大注入串聯(lián)電阻效應大的反向電場 結的擊穿 偏離理想情形 反向偏置下 耗盡區(qū)主要的復合 產生過程 載流子發(fā)射過程 產生與復合過程對電流 電壓特性的影響 正向偏置下 耗盡區(qū)主要的復合 產生過程 載流子俘獲過程 產生 復合速率 17 電子 空穴對的產生率 有效壽命 pn ninn ni 反向偏置下 載流子發(fā)射 耗盡區(qū)內的產生電流 耗盡層寬度 只有能級Et靠近本征費米能級的產生中心 對產生率有顯著貢獻 18 突變結 若有效壽命隨溫度緩變 則產生電流與ni有同樣的溫度關系 線性緩變結 總的反向電流 中性區(qū)的擴散電流 耗盡區(qū)的產生電流 室溫下 若ni很大 例如Ge 擴散電流為主反向電流符合理想情況若ni很小 例如Si 產生電流占優(yōu)勢高溫下 擴散電流為主 在給定溫度下 產生電流正比于耗盡層寬度 耗盡層寬度又與外加反向偏壓有關 19 實際Si二極管的電流 電壓特性 產生 復合電流區(qū) 擴散電流區(qū) 大注入區(qū) 串聯(lián)電阻效應 產生 復合與表面效應等引起的反向漏電流 20 正向偏置下 俘獲過程 擴散電流 復合電流Jrec 若Ei Et n p 將 代入復合率 21 當電子與空穴的濃度和 n p 為最小值時 復合率U在耗盡區(qū)達到最大 即Ei恰好位于EFn和EFp的中間 22 V 3kT q時 有 總的正向電流 實驗結果一般可用經驗公式 復合電流占優(yōu)勢 n 2 擴散電流占優(yōu)勢 n 1 兩種電流相當 1 n 2 復合電流 理想系數 23 實際Si二極管的電流 電壓特性 產生 復合電流區(qū) 擴散電流區(qū) 大注入區(qū) 串聯(lián)電阻效應 產生 復合與表面效應等引起的反向漏電流 24 正向偏置 大電流密度 少數載流子密度與多數載流子密度可以比擬 在注入區(qū)產生電場和載流子的漂移運動 3 電流 電壓特性 大注入條件 p n結 正向大注入效應 25 必須同時考慮電子和空穴的漂移和擴散電流分量 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 大注入使擴散系數加倍 26 N區(qū)有電場 則結區(qū)以外的區(qū)域產生壓降 使得加在結上的電壓降低 結區(qū)壓降 N區(qū)壓降 大注入時 結上的壓降與外電壓和n區(qū)少子濃度有關 27 由于在結區(qū)以外的壓降 大注入使電流 電壓關系改變 由原來的exp qV kT 變成exp qV 2kT 28 工作在不同電流密度下Sip n結的載流子濃度 本征費米能級 準費米能級 電流密度 10A cm2103A cm2104A cm2 p n結 29 在大注入時 還要考慮與準中性區(qū)和歐姆接觸的電阻相聯(lián)系的串聯(lián)電阻效應 為減少PN結的體電阻 采用外延方法 可大大降低串聯(lián)電阻效應 串聯(lián)電阻效應 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 理想電流降低一個因子 使電流隨電壓的上升而變慢 當電流足夠大時 外加電壓的增加主要降在串聯(lián)電阻上 電流 電壓近似線性關系 30 4 擴散電容 反向偏置 耗盡層電容占據了結電容的大部分 正向偏置 中性區(qū)少數載流子密度的再分布對結電容有貢獻 擴散電容 正向偏置 一小的交流信號 總電壓 總電流 可得到耗盡區(qū)邊界的電子和空穴密度隨時間的變化 將總電壓代入如下方程 31 耗盡區(qū)邊界的空穴密度小信號交流分量 若V1 kT q VT 耗盡區(qū)邊界的電子密度也類似 直流分量 交流分量 耗盡區(qū)邊界的空穴密度 32 將pn代入連續(xù)性方程 或 考慮到G 0 33 邊界條件 N型中性區(qū)寬度 LP 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 34 總交流電流密度 交流導納 x xp處 電子電流密度 35 頻率比較低 p n 1 擴散電導 低頻擴散電容 歸一化擴散電導和擴散電容與 的關系