8 第二章 2.4-2.5 空间电荷区的复合、产生电流与隧道电流解析

空间电荷区形成原理⼤⼆学的模电，现在⼜拿起来，感叹⾃⼰学的实在太差，所以结合⼀些资料开始总结笔记pn结和空间电荷区还是有区别的。

这⾥说点题外话浓度差导致扩散运动，⽽空间电荷区内电场会导致漂移运动当参与扩散运动和漂移运动的载流⼦数⽬相同时，达到动态平衡，此时形成pn结也就是说空间电荷区的形成不需要动态平衡的条件以上为个⼈理解。

杂质半导体中的多⼦⼀般都是由杂质原⼦提供，少⼦是本征激发产⽣P型半导体和n型半导体结合后，交界处p区的多⼦（空⽳）向n区扩散，n区多⼦（电⼦）向p区扩散前者是因为n区的空⽳少产⽣了浓度差，后者是因为p区电⼦少产⽣了浓度差，由此产⽣了扩散这⾥空⽳的移动是相对的，p区的空⽳被n区过来的电⼦结合，所以p区少了⼀个空⽳，⽽n区电⼦离开后会留下⼀个空⽳，这就好似空⽳从p区扩散到了n区，实际上是相对⽽⾔。

扩散之后出现了复合，即n区的电⼦与扩散过来的空⽳结合，p区的空⽳与扩散过来的电⼦结合这就导致n区杂质原⼦失去电⼦，留下了带正电的杂质离⼦，p区失去空⽳，即得到电⼦，留下带负电的杂质离⼦（对照下⾯原因）由此形成了所谓的空间电荷即耗尽区⽽p区是负离⼦区，n区正离⼦区，这些离⼦不能移动（溶液中的离⼦可以移动，固体中的不能），由此会形成电场（原因：原⼦是由原⼦核和核外电⼦组成，原⼦核带正电荷，绕核运动的电⼦则带相反的负电荷。

原⼦的核电荷数与核外电⼦数相等，因此原⼦显电中性。

当原⼦得到⼀个或⼏个电⼦时，核外电⼦数多于核电荷数，从⽽带负电荷，称为阴离⼦。

当原⼦失去⼀个或⼏个电⼦时，核外电⼦数少于核电荷数，从⽽带正电荷，称为阳离⼦。

）p与n型半导体都是电中性，区别在于它们的载流⼦极性不同，所以说p或n型半导体显电性是错误的那么p区为何是负离⼦呢？因为p型半导体本⾝是电中性的，空⽳是正电，所以离⼦得是负电。

空间电荷效应半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。

在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。

（1）空间电荷：存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。

例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。

空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。

在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。

一般，空间电荷密度ρ为ρ = q(p-n+Nd-Na) 。

（2）空间电荷效应：在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。

例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有np<nopo=ni2。

此外，如果空间电荷区中存在复合中心的话，那么，当正偏时，np>nopo=ni2，则将发生载流子复合现象，就会增加一部分正向复合电流；当反偏时，np<nopo=ni2，则将发生载流子产生现象，就会增加一部分反向产生电流。

这种复合电流和产生电流，在Si p-n结中是经常出现的一种非理性的电流，也是影响BJT性能的重要不良因素。

当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的这些载流子即成为了空间电荷的主要成分，于是整个空间电荷及其产生的电场分布即由载流子来控制，这就是空间电荷效应。

1. PN 结：由P 型半导体和N 型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。

任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction ）,W 时也叫做接触（contact ）«2・PN 结是几乎所有半导体器件的基本单元。

除金属一半导体接触器件外，所有结型器件都 由PN 结构成匚3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.内建电场PFN%空间电荷区4. 空间电荷区：PN 结中，电子由N 区转移至P 区，空穴由P 区转移至N 区。

电子和空穴 的转移分别在N 区和P 区留下了未被补偿的施主藹子和受主离子。

它们是荷电的、固沱不 动的，称为空间电荷。

空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

线性缓变结杂质分布XP 区留下N 区留下N ；，形成空间电荷区。

空间电荷 区产生的电场称为内建电场，方向为由N 区指向P 区。

电场的 存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。

扩散电流，P 区—N 区 漂移电流：P 区—N 区达到平衡时，净电流=0。

于是就形成一个稳定的有一定 宽度的空间电荷区。

5. 内建电场：P 区和N 区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建 电场。

PN 结自建电场：在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿 杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范用内输运。

大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提髙BJT 的电流增益和频率.速度性能）。

6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。

空穴扩散：P 区 一 N 区 电子扩散：P 区—N 区扩散电流方向为：P 区一N 区■% 0 ------ 1 ----------•—Z 一 W — ++ ++++ +++$空间电蓟区 中性区!1 1' ;'内雄电场\ ・ 空穴扩飆 甌『扩R 漁II空穴漂移流 电子漂核ft“(gpa)g 自建电场方向i 结空司电荷区处別空穴扩融区內大主入自注电场的形呢（用1%表示九逮掺杂p 型轻掺杂p 裂 本征准费米能级：当pn 结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范I 羽内，电子和空穴没有统 一的费米能级，分别用准费米能级.8. PN 结能带图 热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P 正N 负 反偏压：P 负N 正J -P~L轻掺杂N 型重摻杂N 型P n(a)在接触前分开的P 型和N 型硅的能带图耗尽层(E)正偏反偏9.空间电荷区、耗尽区.势垒区・中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒g% ,P区空穴进入N区也需要克服势垒g必。

第二章重要术语解释：雪崩击穿：电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷去内的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。

载流子注入：外加偏压时，pn结体内的载流子穿过空间电荷区进入p区或者n区的过程。

临界电场：发生击穿时，pn结空间电荷去的最大电流密度。

扩散电容：正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容。

扩散电导：正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。

扩散电阻：扩散电导的倒数。

正偏：p区相对于n区加正电压。

此时结两侧的电势差要低于热平衡的值。

产生电流：pn结空间电荷区内由于-空穴对热产生效应形成的反偏电流。

长二极管：电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的二极管。

复合电流：穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。

反向饱和电流：pn结体内的理想反向电流。

短二极管：电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。

存储时间：当pn结二极管由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳态值变成零所用的时间。

知识点：学完本章后，读者应具备如下能力：描述外加正偏电压的pn结内电荷穿过空间电荷区流动的机制。

说出空间电荷区边缘少子浓度的边界条件。

推出pn结内稳态少子浓度的表达式推出理想pn结的电流-电压关系。

描述短二极管的特点。

描述什么是扩散电阻和电容。

描述pn结内的产生和复合电流。

描述pn结的雪崩击穿机制。

描述pn结的关瞬态。

习题1.(a)正偏工作的pn结二极管，其环境温度为T=300K。

计算电流变为原来的10倍时，电压的改变。

(b)计算电流变为原来的100倍时，电压的改变2.计算使pn结理想反偏电流时反向饱和电流大小90%的反偏电流值，T=300K。

3.T=300K时，V D=0.65V时，硅pn结二极管的电流I=10mA。

空间电荷区内电子电流与总电流的比值为0.1，且最大电流密度不大于20A/cm2.设计满足上述条件的二极管。

作业三答案一、名词解释(1) 单边突变结：若pn 结面两侧为均匀掺杂，即由浓度分别为a N 和d N 的p 型半导体和n 型半导体组成的pn 结，称为突变结。

若一边掺杂浓度远大于另一边掺杂浓度，即d a N N >>或a d N N >>，这种pn 结称为单边突变结。

(2) 大注入：注入的非平衡载流子浓度与平衡多子浓度相比拟甚至大于平衡多子浓度的情况称为大注入。

(3) 小信号：信号幅度很小，满足条件V 〈〈(kT/e)=26 mV 。

(4) 雪崩击穿：在反向偏置时，势垒区中电场较强。

随着反向偏压的增加，势垒区中电场会变得很强，使得电子和空穴在如此强的电场加速作用下具有足够大的动能，以至于它们与势垒区内原子发生碰撞时能把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。

新产生的电子、空穴在强电场加速作用下又会与晶格原子碰撞轰击出新的导电电子和空穴……，如此连锁反应好比雪崩一样。

这种载流子数迅速增加的现象称为倍增效应。

如果电压增加到一定值引起倍增电流趋于无穷大，这种现象叫雪崩击穿。

(5) 齐纳击穿对重掺杂PN 结，随着结上反偏电压增大，可能使P 区价带顶高于N 区导带底。

P 区价带的电子可以通过隧道效应直接穿过禁带到达N 区导带，成为导电载流子。

当结上反偏电压增大到一定程度，将使隧穿电流急剧增加，呈现击穿现象，称为隧道击穿，又称为齐纳击穿。

(6) 势垒电容当PN 结外加电压变化时，引起势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。

耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。

(7) 扩散电容对于正偏pn 结，当外加偏压增加时，注入n 区的空穴增加，在n 区的空穴扩散区内形成空穴积累。

电子注入p 区情形类似。

这种扩散区中的电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称为扩散电容。

(8) 耗尽层近似在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，称为耗尽层近似。