半导体器件物理【22】PN结 —— 单向导电、影响结电流电压偏离的因素

前言

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单向导电性

扩散区非平衡少数载流子电流密度
J=Js[exp(qVk0T)−1]J=J_s [ exp(\frac{ qV }{k_0T}) - 1 ]J=Js[exp(k0TqV)−1]

正偏 J=Jsexp(qV/k0T)J=J_s exp(qV/k_0T)J=Jsexp(qV/k0T)

反偏 J=−Js=−qDpLppn0−qDnLnnp0J=-J_s = - \frac{qD_p}{L_p} p_{n0} - \frac{qD_n}{L_n} n_{p0}J=−Js=−LpqDppn0−LnqDnnp0

反偏时反向电流恒定，称反向饱和电流（数值很小，所以认为是单向导电）

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温度对电流密度影响很大

正偏

Js≈qDnnp0Ln∝T3+γ/2⋅exp(−Egk0T)J_s\approx \frac{ qD_n n_{p0} }{L_n} \propto T^{ 3 + \gamma/2 } · exp(- \frac{ E_g }{k_0T})Js≈LnqDnnp0∝T3+γ/2⋅exp(−k0TEg)

J∝T3+γ/2⋅exp(qVf−Vg0k0T)J \propto T^{ 3 + \gamma/2 } · exp(q \frac{ V_f - V_{g0} }{k_0T})J∝T3+γ/2⋅exp(qk0TVf−Vg0)

相同电压下，温度越高，电流越大

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理论与实验的偏差

正偏，正向电流小时，实验值太大。正向电流大时，J∝exp(qV/2k0T)J\propto exp(qV/2k_0T)J∝exp(qV/2k0T)

反偏，实际测的反向电流比理论值大得多，不饱和，随反向偏压增大而略有增加

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影响PN结电流电压偏离

势垒区中的产生和复合
大注入
串联电阻效应
表面效应

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势垒区中的产生和复合

势垒的产生电流

热平衡时，势垒区内通过复合中心的载流子产生率 = 复合率

势垒的产生电流

反偏时势垒区内电场增强，复合中心由热激发产生的电子空穴对，在复合之前就被强电场驱走，形成另一部分反向电流 IGI_GIG

势垒区电流密度为

JG=qniXd2τJ_G = \frac{ qn_i X_d }{2\tau}JG=2τqniXd

反向扩散电流密度为

JRD=qDpni2LpNdJ_{RD}=\frac{ qD_p n_i^2 }{L_pN_d}JRD=LpNdqDpni2

势垒区宽度随反向偏压增加而变宽，所以势垒区产生电流不饱和，其随反向偏压增加而缓慢增加
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为什么反偏时，硅PN结电流偏离？

硅的禁带宽度宽，nin_ini小，势垒产生电流比反向扩散电流大得多
反向电流中势垒产生电流占主导

为什么锗PN结反偏时，伏安特性与理想符合比较好？

锗的禁带宽度窄，nin_ini大，势垒产生电流比反向扩散电流小得多
反向电流中反向扩散电流占主导

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势垒的复合电流

势垒的复合电流

正偏时，参与扩散的多子，在势垒区复合了一部分，构成一股正向电流

总的正向电流密度

JF=JFD+Jr=qni[DpτpniNd⋅exp(qVk0T)+Xm2τp⋅exp(qV2k0T)]J_F = J_{FD} + J_r = qn_i [ \sqrt{\frac{D_p}{\tau_p}}\frac{n_i}{N_d} · exp(\frac{qV}{k_0T}) + \frac{ X_m}{2\tau_p} ·exp(\frac{ qV }{2k_0T} ) ] JF=JFD+Jr=qni[τpDpNdni⋅exp(k0TqV)+2τpXm⋅exp(2k0TqV)]

扩散电流∝exp(qVk0T)扩散电流 \propto exp(\frac{ qV }{k_0T})扩散电流∝exp(k0TqV)

复合电流∝exp(qV2k0T)复合电流 \propto exp(\frac{ qV }{2k_0T})复合电流∝exp(2k0TqV)

Jf∝exp(qVmk0T)J_f \propto exp(\frac{qV}{mk_0T})Jf∝exp(mk0TqV)

当扩散电流为主时，m=1m=1m=1
当复合电流为主时，m=2m=2m=2
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扩散电流 / 复合电流

JFDJr=2niLpNdXm⋅exp(qV2k0T)\frac{J_{FD}}{J_r} = \frac{ 2n_i L_p }{N_dX_m} · exp(\frac{qV}{2k_0T})JrJFD=NdXm2niLp⋅exp(2k0TqV)

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复合电流减少了PN结的少子注入，使得三极管电流放大系数在小电流时下降

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大注入

大注入情况

正向偏压大，注入的非平衡少数载流子接近或超过多子浓度

以P+N-为例，正向电流是P到N的空穴电流，而N到P的电子电流可忽略

电注入的大量空穴在xnx_nxn处积累，并在空穴扩散区形成浓度梯度，向N区内部扩散

N区多子增加同等数量，形成与空穴相同的浓度分布，满足N区电中性条件

电子在浓度梯度下，沿空穴扩散方向扩散，破坏电中性条件

电子空穴间的静电引力产生内建电场EEE

EEE抑制了电子扩散，加速空穴运动，使正向偏压VVV在空穴扩散区降落一部分

V=VJ+VPV=V_J + V_PV=VJ+VP

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P+N-结正向偏压时，总的正向电流密度为

JF≈−q2DpniLpexp(qV2k0T)J_F \approx - \frac{ q2D_pn_i }{ L_p } exp(\frac{ qV }{2k_0T})JF≈−Lpq2Dpniexp(2k0TqV)

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