半導體器件物理之物理電流-電壓特性.ppt

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(jié)兩側(cè)的少數(shù)載流子密度變化,正向偏置,反向偏置,5,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(jié)上的靜電勢差：,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:,PN結(jié)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度:,正向偏壓時,邊界的少數(shù)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(jù)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(jié)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(shù)坐標,15,溫度對飽和電流密度的影響:,p+-n單邊突變結(jié):,施主濃度ND,與指數(shù)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(chǎn)生-復合過程,表面效應表面離子電荷 耗盡層內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復合 大注入 串聯(lián)電阻效應 大的反向電場，結(jié)的擊穿,偏離理想情形,反向偏置下,耗盡區(qū)主要的復合-產(chǎn)生過程 載流子發(fā)射過程,產(chǎn)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(chǎn)生過程 載流子俘獲過程,產(chǎn)生-復合速率,17,電子-空穴對的產(chǎn)生率：,有效壽命,pnni nnni,反向偏置下,載流子發(fā)射,耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生電流：,耗盡層寬度,只有能級Et靠近本征費米能級的產(chǎn)生中心,對產(chǎn)生率有顯著貢獻,18,突變結(jié)：,若有效壽命隨溫度緩變,則產(chǎn)生電流與ni有同樣的溫度關系，,線性緩變結(jié)：,總的反向電流 = 中性區(qū)的擴散電流 + 耗盡區(qū)的產(chǎn)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?。ɡ鏢i)，產(chǎn)生電流占優(yōu)勢 高溫下： 擴散電流為主,在給定溫度下, 產(chǎn)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(chǎn)生-復合電流區(qū),擴散電流區(qū),大注入?yún)^(qū),串聯(lián)電阻效應,產(chǎn)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,V3kT/q時，有：,總的正向電流：,實驗結(jié)果一般可用經(jīng)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：1n2 .,復合電流：,理想系數(shù),23,實際Si二極管的電流-電壓特性,產(chǎn)生-復合電流區(qū),擴散電流區(qū),大注入?yún)^(qū),串聯(lián)電阻效應,產(chǎn)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(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)生電場和載流子的漂移運動。,3。電流-電壓特性大注入條件,p+-n結(jié),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(shù)加倍,26,N區(qū)有電場，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，結(jié)上的壓降與外電壓和n區(qū)少子濃度有關。,27,由于在結(jié)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Si p+-n 結(jié)的載流子濃度，本征費米能級，準費米能級,電流密度: 10A/cm2 103A/cm2 104A/cm2,p+-n結(jié),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(jié)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(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結(jié)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 V1kT/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