半导体物理学纲要2014介绍.ppt

西安理工大学电子工程系　马剑平 * 势垒边界处非平衡少数载流子的浓度分布 n区势垒边界x= xn 非平衡少子Δpn (xn ) p区势垒边界x=xp 非平衡少子Δnp(xp) 西安理工大学电子工程系　马剑平 41 西安理工大学电子工程系　马剑平 41 为什么认为通过理想p-n结的电流（正向电流和反向电流）都是少数载流子在扩散区的扩散电流？ 载流子通过势垒区的方式主要有三种：若势垒厚度非常薄（与载流子de Blolig波长相当），则为量子隧道效应方式；若势垒厚度较薄（大于de Blolig波长，但小于载流子的平均自由程），则为热发射方式；若势垒厚度较厚（大于载流子平均自由程），则为依靠浓度梯度的扩散方式。 因为势垒区近似为耗尽层,属于高阻区,则外加电压将完全降落在势垒区,扩散区中没有电压和电场。外加电压可以改变势垒区的特性：正向电压使电场减弱、势垒厚度减薄和势垒高度降低；反向电压使电场增强、势垒厚度增厚和势垒高度升高。 ② 因为扩散区中没有电场，则载流子在扩散区中的电流就是由浓度梯度所产生的扩散电流，而不存在漂移电流。 ③ 根据电流的连续性，若载流子由漂移和扩散相继产生电流时，则总电流的大小将主要受到最慢、最小过程的限制。例如，当一种载流子相继进行扩散和漂移（不是既有扩散、又有漂移）时，则电流大小将主要由较慢的扩散过程来决定，而与迅速的漂移过程基本上无关。 ④ 少数载流子电流不一定小于多数载流子电流。因为少数载流子电流决定于载流子浓度的梯度（与浓度大小无关），多数载流子电流决定于载流子浓度的大小，两种电流的大小不可因载流子的多少而论。 西安理工大学电子工程系　马剑平 43 pn结的正向电流 当p-n结加上正向电压时，势垒高度降低(势垒厚度也减薄)，则载流子按照Boltzmann能量分布规律，即有一定数量的载流子“越过”势垒区而到达对面的扩散区表面（扩散区与势垒区的界面）。这种“越过”势垒区的过程不是电场的漂移作用，而是载流子能量的统计作用(实际上就是载流子的热发射效应)，不需要考虑渡越时间。然而，到达对面扩散区表面的载流子成为了少数载流子，不能很快地到达对面的电极而形成电流，于是就在散区表面附近积累、形成浓度梯度，然后一边向内部扩散、一边复合，从而产生了电流—扩散电流。所以，理想p-n结的正向电流主要是少数载流子在扩散区中的扩散电流，至于载流子“越过”势垒区过程的限制作用就被忽略了。 pn结的反向电流 p-n结的反向电流包含少数载流子扩散电流和复合中心的产生电流。 p-n结的反向扩散电流：当p-n结加上反向电压时，势垒高度升高（势垒厚度也增大），则由于能量分布的限制，载流子不能“越过”势垒区；这时n区边界xn附近的空穴被势垒区的强电场驱向p区，而p区边界xp附近的电子被驱向n区。当这些少数载流子被电场驱走后，就形成与正向注入时方向恰好相反的少数载流子的密度梯度，p区和n区内部的少子就会分头向势垒区方向扩散，形成反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流。这种情况好像少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子的抽取。与此同时，只要载流子进入势垒区，就马上被电场拉向(漂移)到对面、并形成反向电流。可见，形成p-n结的反向电流包含两个过程—少数载流子在扩散区中的反向扩散过程和载流子漂移渡越势垒区的过程；但因为载流子漂移渡越势垒区的过程很快，可以忽略，所以p-n结的反向电流即可认为主要是少数载流子在扩散区中的扩散电流。 p-n结的反向产生电流：在反向电压下，势垒区处于载流子严重欠缺的非平衡状态，则为了恢复平衡，势垒区中的复合中心产生出大量的电子和空穴对，并且电子即被电场拉向n型半导体一边、空穴即被电场拉向p型半导体一边，从而就形成了反向电流。因为产生电流主要决定于势垒区中产生中心的数量，而势垒厚度会随着反向电压的增大而展宽，所以产生中心的数量也将随着反向电压的增大而增多，于是反向产生电流也就不会饱和—电流与电压有关。 西安理工大学电子工程系　马剑平 46 西安理工大学电子工程系　马剑平 * 突变结的势垒电容CT 时n区边界xn附近的空穴被势垒区的强电场驱向p区，而p区边界xp附近的电子被驱向n区。当这些少数载流子被电场驱走后，就形成与正向注入时方向恰好相反的少数载流子的密度梯度，p区和n区内部的少子就会分头向势垒区方向扩散，形成反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流。这种情况好像少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子的抽取。 西安理工大学电子工程系　马剑平 * 阻挡层的整流作用 外加电压V于金属,由于阻挡层是一个高阻区,因此电压主要降落在阻挡层上,原来半导体表面和内部之间的电势差即表面势Vs0现在应为-q[Vs0+V]。显然,外加电压V与原来表面势Vs0符号相同时,阻挡层将提高,否则势垒将下降。对于n型阻挡层而言,