半导体物理_第八章

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第八章 PN结与肖特基结二极管本章学习要点： 1.推导并掌握理想PN结二极管的电流-电压特 性特性方程； 2.掌握理想肖特基二极管的电流-电压特性方程 3.建立并掌握PN结二极管的小信号等效电路模型 4.学会分析PN结二极管空间电荷区中的产生与 复合电流； 5.掌握PN结二极管的击穿特性； 6.了解PN结二极管的开关特性。

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§8.2 PN结--理想电流电压特性 推导理想PN结电流-电压特性方程的四个基 本假设条件： (1)PN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近 似，耗尽区以外为中性区； (2)载流子分布满足麦克斯韦-玻尔兹曼近似 (3)满足小注入的条件； (4)通过PN结的总电流是一个恒定的常数；电 子电流和空穴电流在PN结中各处是一个连 续函数；电子电流和空穴电流在PN结耗尽 区中各处保持为恒定常数。

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推导理想PN结电流-电压特性时所用到的各种符号

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当外加正向偏压Va时，此电压主要降落在 势垒区上，PN结内建电场减弱。此时扩散电流 与漂移电流之间的平衡被打破，扩散电流为主， 形成少数载流子注入。

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当外加正向偏置电压时，PN结中的势垒将 会降低，这时空穴就会从P型区扩散至N型区， 成为N型区中的过剩少数载流子，同样电子也 会从N型区扩散至P型区，成为P型区中的过剩 少数载流子。 这些过剩少数载流子的漂移、扩散和复合 过程依然满足上一章中我们讨论过的双极输 运方程。

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1. 边界条件： 下图为热平衡状态下PN结的导带示意图，由PN 结内建势垒公式可得：

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下图为PN结正偏时的能带图，PN结中的势垒 由Vbi变为(Vbi -Va),和零偏时类似可得：

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在小注入条件下，则有：

在正偏条件下，PN结内部势垒降低，出现少数 载流子电子的注入，P型区中的少数载流子电子 的浓度高于热平衡时的浓度。注入到P型区中的 电子还会进一步扩散和复合，因此上式给出的实 际上是P型区中耗尽区边界处-xp的电子浓度。 类似地，在正偏条件下，N型区中少子空穴的 浓度为：

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注入到N型区中的空穴也会进一步扩散和复 合，因此上式给出的实际上也是N型区中位于耗 尽区边界处xn的空穴浓度。 另外，上述边界条件虽然是根据PN结正偏条 件导出的，但是对于反偏情况也是完全适用的。 而且当反偏电压足够高时，耗尽区边界处的少 数载流子浓度基本为零。

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少子注入

少子抽取

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2. 少数载流子分布： 对于N型区中的过剩少数载流子空穴来说， 其双极输运方程为：

假设中性N型区和P型区中的电场为零，过 剩载流子的产生率为零，对于稳态情形，有：

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在上述两个方程中，第一项代表扩散过程， 第二项代表复合过程，因此在PN结两侧的N型区 和

P型区中，过剩载流子既有扩散，也有复合。 因此上述两个双极输运方程的解为：

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在正偏状态下，PN结两侧总的少数载流子 浓度的边界条件为：

随着少子由空间电荷区边界向中性半导体区 域扩散，它们还将不断地与多子复合.

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假设PN结两侧中性区宽度足够宽，即Wn>>Lp, Wp>>Ln,此即所谓的长二极管，在离开空间电荷 区足够远处，过剩少子浓度将趋于零.

应用上述边界条件可求得上式中的系数A、 B、C、D(其中A=D=0),由此得到方程 的解为：

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3.理想PN结电流 按照理想PN结的第四个假设条件，正偏条 件下流过PN结的总电流可以表示为电子电流和 空穴电流两部分之和。

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类似地，可以计算出耗尽区靠近P型区一侧边 界处电子的扩散电流密度为：

在PN结正偏条件下，上述空穴电流，电子电 流密度都是沿着x轴正方向的。若假设电子电流 和空穴电流在通过PN结耗尽区时保持不变，则 流过PN结的总电流为：

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