第二章 空间电荷区的复合产生电流与隧道电流.pptVIP

* Physics of Semiconductor Devices * 2.4 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 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（pn ni2）。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。空间电荷区会有复合，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 ABCD: 电子的注入电流，AB段：电子从N区注入到P区后，与在B点与从左方来的空穴C复合； A’B’C’D’: 空穴的注入电流，A’B’段：空穴从P区注入到N区后，与在B’点与从右方来的电子C’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 正向PN结空间电荷区中的费米能级 注入的扩散电流和空间电荷区中的复合电流的区别：复合地点不同；在电子或空穴扩散区中电子和空穴一个是多子，一个是少子，其浓度相差很大。在空间电荷区，位于禁带中央附近的复合中心能级处，有Et = Ei，即电子和空穴的浓度基本相等，所以通过空间电荷区复合中心的复合相对较强。 复合电流定义为： 空间电荷区的宽度 载流子通过复合中心复合的复合率 最大复合率（Et = Ei 时）： （1-208） Et = Ei 可得 最大复合率： 在低电流水平时，复合电流成分占优势。 斜率增加，说明扩散电流在增加。 在高电流水平，串联电阻造成的较大欧姆电压降支配着电流-电压特性。 硅扩散结的电流-电压特性 斜率变化 扩散电流： 扩散电流与复合电流的比较： 若 (ni /Nd) 越小，电压越低，则势垒区复合电流的影响越大。禁带宽度较小的半导体材料， ni 比较大。用硅制作的PN结：在小注入情况下，正向电流可能由势垒区的复合电流所控制，锗PN结：空间电荷区复合电流的影响可以忽略不计，正向电流按通常扩散电流的规律而变化。这两种材料做成的PN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 ？ PN+结 ？ Nd PN结反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电荷区的载流子浓度低于平衡值（pn ni2） ，所以产生率大于复合率，净产生率不为零，空间电荷区内存在产生电流。体内扩散电流来自PN结两侧P区和N区内产生的电子和空穴，而空间电荷区中的产生电流，是指空间电荷区中复合中心产生出来的电子－空穴对形成的电流。 二 反向PN结空间电荷区产生电流 CBAD: 反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子A和空穴B，电子由A扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到N区流向右方，而空穴流向左方。 C’B’A’D’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分别扫进N区和P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。 反向电流产生的物理过程 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，PN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中心数目增多，所以产生电流增大。 U0 意味着正的产生率，所形成的电流是空间电荷区产生的电流而不是复合电流： 特点： 三 PN结表面复合和产生电流 硅平面器件的表面都用SiO2层作掩模，这对PN结起保护作用，当SiO2层的存在对PN结有一定的影响，会引进附加的复合和产生电流，从而影响器件的性能。 SiO2层中含有一定数量的正电荷（最常见的是由沾污引进的钠离子），表面电荷的存在会吸引或排斥半导体的载流子，从而在表面形成一定的空间电荷区。当表面电荷足够强时，就会把P型硅表面附近的空穴排斥走，形成一个由电离受主构成的空间电荷区。使得空间电荷区延展、扩大。 （1）表面电荷引起表面空间电荷区 表面空间电荷区中的复合中心会引起附加的复合电流和反向产生电流。空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大，和PN结本身的空间电荷区宽度变化类似。当表面空间电荷区中电荷的数量和氧化层电荷相等时，宽度就不再变化。 在交界面处，往往存在着一定数量的、位于禁带中的能级，称为界面态（或称为表面态）。它们和体内的杂质能级类似，能够接受、放出电子，可以起到复合中心的作用。界面态的产生和复合作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，会引起PN结的附加的复合和产生电流。 （2）Si-SiO2交界面的界面态 当P型衬底的杂质浓度较低，SiO2层中的正电荷较多时，衬底表面将形成反型层，这个反型层与N＋型扩散层连起来，使PN结面积增大，因而反向电流增大。 表面沟道电流 （3）表面沟道电流 当PN结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等引起表面沾污，如同在PN表面并联一个附加电导，而引起表面漏电，使反向电流增加