第二章 2.4-2.5 空間電荷區(qū)的復(fù)合、產(chǎn)生電流與隧道電流

2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流2.5隧道電流影響PN結(jié)伏安特性的因素正偏時(shí)，由于空間電荷區(qū)內(nèi)有非平衡載流子的注入，邊緣的載流子濃度增加，以致于大于平衡載流子濃度（pn

>ni2）。這些過量的載流子穿越空間電荷區(qū)，使得載流子濃度超過平衡值?？臻g電荷區(qū)會(huì)有復(fù)合，即：空間電荷區(qū)內(nèi)存在復(fù)合電流。一正向PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流ABCD:電子的注入電流，AB段：電子從N區(qū)注入到P區(qū)后，與在B點(diǎn)與從左方來的空穴C復(fù)合；A’B’C’D’:空穴的注入電流，A’B’段：空穴從P區(qū)注入到N區(qū)后，與在B’點(diǎn)與從右方來的電子C’復(fù)合；EFGH：PN結(jié)空間電荷區(qū)中復(fù)合中心造成的復(fù)合電流?？臻g電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流正向PN結(jié)空間電荷區(qū)中的費(fèi)米能級(jí)注入的擴(kuò)散電流和空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流的區(qū)別：復(fù)合地點(diǎn)不同；在電子或空穴擴(kuò)散區(qū)中電子和空穴一個(gè)是多子，一個(gè)是少子，其濃度相差很大。在空間電荷區(qū)，位于禁帶中央附近的復(fù)合中心能級(jí)處，有Et=Ei，即電子和空穴的濃度基本相等，所以通過空間電荷區(qū)復(fù)合中心的復(fù)合相對(duì)較強(qiáng)。復(fù)合電流定義為：空間電荷區(qū)的寬度載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率最大復(fù)合率（Et=Ei時(shí)）：（1-208）Et=Ei可得最大復(fù)合率：在低電流水平時(shí)，復(fù)合電流成分占優(yōu)勢(shì)。斜率增加，說明擴(kuò)散電流在增加。在高電流水平，串聯(lián)電阻造成的較大歐姆電壓降支配著電流-電壓特性。硅擴(kuò)散結(jié)的電流-電壓特性斜率變化擴(kuò)散電流：擴(kuò)散電流與復(fù)合電流的比較：若(ni

/Nd)越小，電壓越低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響越大。禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料，ni

比較大。用硅制作的PN結(jié)：在小注入情況下，正向電流可能由勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流所控制，鍺PN結(jié)：空間電荷區(qū)復(fù)合電流的影響可以忽略不計(jì)，正向電流按通常擴(kuò)散電流的規(guī)律而變化。這兩種材料做成的PN結(jié)，當(dāng)電壓增加時(shí)，擴(kuò)散電流的作用變得越來越主要。表明：P+N結(jié)？PN+結(jié)？NdPN結(jié)反偏時(shí)，由于空間電荷區(qū)對(duì)載流子的抽取作用，空間電荷區(qū)的載流子濃度低于平衡值（pn

<ni2）

，所以產(chǎn)生率大于復(fù)合率，凈產(chǎn)生率不為零，空間電荷區(qū)內(nèi)存在產(chǎn)生電流。體內(nèi)擴(kuò)散電流來自PN結(jié)兩側(cè)P區(qū)和N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子和空穴，而空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流，是指空間電荷區(qū)中復(fù)合中心產(chǎn)生出來的電子－空穴對(duì)形成的電流。二反向PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流CBAD:反向電子擴(kuò)散電流，在P區(qū)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子A和空穴B，電子由A擴(kuò)散到PN結(jié)空間電荷區(qū)，并被電場(chǎng)掃到N區(qū)流向右方，而空穴流向左方。C’B’A’D’空穴EFGH：PN結(jié)空間電荷區(qū)中復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被電場(chǎng)分別掃進(jìn)N區(qū)和P區(qū)，這個(gè)產(chǎn)生電流是反向擴(kuò)散電流之外的一個(gè)附加的反向電流。反向電流產(chǎn)生的物理過程空間電荷區(qū)復(fù)合中心的產(chǎn)生電流不像反向擴(kuò)散電流那樣會(huì)達(dá)到飽和值，而是隨著反向偏壓的增大而增大。這是因?yàn)椋琍N結(jié)空間電荷區(qū)隨著反向偏壓的增大而展寬，處于空間電荷區(qū)的復(fù)合中心數(shù)目增多，所以產(chǎn)生電流增大。U<0

意味著正的產(chǎn)生率，所形成的電流是空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流而不是復(fù)合電流：特點(diǎn)：三PN結(jié)表面復(fù)合和產(chǎn)生電流硅平面器件的表面都用SiO2層作掩模，這對(duì)PN結(jié)起保護(hù)作用，當(dāng)SiO2層的存在對(duì)PN結(jié)有一定的影響，會(huì)引進(jìn)附加的復(fù)合和產(chǎn)生電流，從而影響器件的性能。SiO2層中含有一定數(shù)量的正電荷（最常見的是由沾污引進(jìn)的鈉離子），表面電荷的存在會(huì)吸引或排斥半導(dǎo)體的載流子，從而在表面形成一定的空間電荷區(qū)。當(dāng)表面電荷足夠強(qiáng)時(shí)，就會(huì)把P型硅表面附近的空穴排斥走，形成一個(gè)由電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。使得空間電荷區(qū)延展、擴(kuò)大。（1）表面電荷引起表面空間電荷區(qū)表面空間電荷區(qū)中的復(fù)合中心會(huì)引起附加的復(fù)合電流和反向產(chǎn)生電流?？臻g電荷區(qū)的寬度隨反向偏壓的增加而加大，和PN結(jié)本身的空間電荷區(qū)寬度變化類似。當(dāng)表面空間電荷區(qū)中電荷的數(shù)量和氧化層電荷相等時(shí)，寬度就不再變化。在交界面處，往往存在著一定數(shù)量的、位于禁帶中的能級(jí)，稱為界面態(tài)（或稱為表面態(tài)）。它們和體內(nèi)的雜質(zhì)能級(jí)類似，能夠接受、放出電子，可以起到復(fù)合中心的作用。界面態(tài)的產(chǎn)生和復(fù)合作用，也同樣由于表面空間電荷區(qū)而得到加強(qiáng)，會(huì)引起PN結(jié)的附加的復(fù)合和產(chǎn)生電流。（2）Si-SiO2交界面的界面態(tài)當(dāng)P型襯底的雜質(zhì)濃度較低，SiO2層中的正電荷較多時(shí)，襯底表面將形成反型層，這個(gè)反型層與N＋型擴(kuò)散層連起來，使PN結(jié)面積增大，因而反向電流增大。表面溝道電流（3）表面溝道電流當(dāng)PN結(jié)表面由于材料原因，或吸附水氣、金屬離子等引起表面沾污，如同在PN表面并聯(lián)一個(gè)附加電導(dǎo)，而引起表面漏電，使反向電流增加。表面漏導(dǎo)電流（4）表面漏導(dǎo)電流四串聯(lián)電阻的影響為了滿足硅片機(jī)械強(qiáng)度的要求，對(duì)其厚度有一定要求；同時(shí)為了滿足擊穿電壓的要求，低摻雜區(qū)的電阻率又不能太低，所以PN結(jié)的體電阻較大。當(dāng)結(jié)電流流過串聯(lián)電阻時(shí)，在串聯(lián)電阻上存在電壓降IRS。從而使得實(shí)際施加在PN結(jié)上的電壓下降。由于電壓與電流成對(duì)數(shù)關(guān)系，當(dāng)結(jié)電流足夠大時(shí)，電壓隨電流增加變化不大，而串聯(lián)電阻上的壓降明顯增加。當(dāng)電流足夠大時(shí)，外加電壓的增加主要降落在串聯(lián)電阻上，電流電壓近似成線性關(guān)系。采用外延層結(jié)構(gòu)：選擇電阻率很低、摻雜濃度很高的硅片作為襯底N＋，在襯底上外延生長(zhǎng)一層很薄的、摻雜濃度較低的N型外延層。在外延層上制作PN結(jié)。這樣既減小了體電阻，又可滿足反向擊穿電壓的需要。解決的辦法：五大注入的影響硅PN結(jié)的正向大電流超過一定范圍時(shí)正向電流的實(shí)際值比理論計(jì)算值要低，其原因是因?yàn)樾∽⑷氲臈l件遭到破壞。將注入非平衡少子濃度接近等于或大于平衡多子濃度的情況，稱為大注入。在大注入時(shí)，PN結(jié)電流－電壓特性將發(fā)生變化。注入P區(qū)的非平衡少子的濃度已接近等于或大于平衡多子濃度，即：Δn(xp)>=pp0

，注入P區(qū)的非平衡少子電子將產(chǎn)生積累，為了維持電中性要求必然要求多子空穴也有同樣的積累，即有Δnp(xp)=Δpp(xp)，且與少子具有相同的濃度梯度。多子空穴存在濃度梯度，必然使空穴產(chǎn)生擴(kuò)散趨勢(shì)，一旦空穴離開，P區(qū)的電中性就被破壞，在P區(qū)建立了一個(gè)電場(chǎng)E,

稱為大注入自建電場(chǎng)。顯然：該電場(chǎng)的方向是阻止空穴擴(kuò)散，卻加速了電子的擴(kuò)散。以PN＋為例：此時(shí)，PN＋結(jié)正向電流－電壓關(guān)系修正為：小注入電流比較PN+N區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)的摻雜濃度，N區(qū)的平衡多子濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)的平衡多子濃度，即：nn0>>pp0，則有：np0>>pn0

。因此：小注入電流：思考：對(duì)于P+N？（1）在小注入時(shí)，少子電子在P區(qū)只作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，忽略了P區(qū)電場(chǎng)的作用；在大注入時(shí)，電場(chǎng)的作用對(duì)電子的漂移作用不能忽略。若將漂移運(yùn)動(dòng)等效為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于加速了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使等效擴(kuò)散系數(shù)增加一倍。（2）大注入時(shí)，正向電流隨電壓的增加上升緩慢。這是因?yàn)橥饧与妷翰皇侨拷德湓趧?shì)壘區(qū)，而是有一部分降落在P區(qū)，以建立P區(qū)的自建電場(chǎng)，維持多子積累，保持電中性。（3）大注入時(shí)，空穴電流密度與P區(qū)雜質(zhì)濃度無關(guān)。因?yàn)樽⑷氲纳僮訚舛缺萈區(qū)雜質(zhì)濃度高得多。六隧道電流當(dāng)P側(cè)N側(cè)均為重?fù)诫s時(shí)，有些載流子可能穿透（代替越過）勢(shì)壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機(jī)制稱為量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。（1）費(fèi)術(shù)能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有較高的隧道穿透率；（3）在相同的能量水平上，在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空狀態(tài)。條件：當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，這些條件就得到滿足各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖圖(a)

1、絕對(duì)零度（0K）和沒有外加偏壓時(shí)：費(fèi)米能級(jí)以下的狀態(tài)都被占據(jù)，費(fèi)米能級(jí)以上的狀態(tài)都是空的（1）隧道電流的產(chǎn)生N側(cè)導(dǎo)帶中一些電子的能量被提高到與P側(cè)空狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的水平，電子可能隧道穿透結(jié)勢(shì)壘以產(chǎn)生電流。圖(b)各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖2、施加正向偏壓時(shí)：電流的大?。菏艽┩鸽娮訑?shù)和空狀態(tài)的限制圖(c)在該偏壓條件下，隧道電流最大。進(jìn)一步增加正向偏壓，電流將減?。篜側(cè)能容納隧道穿透電子的空狀態(tài)變少。圖(d)隧道電流為零。在反向偏壓時(shí)，反向隧道電流隨著反偏壓的增加而增加。圖(e)3、施加反向偏壓時(shí)：思考？（2）隧道二極管除隧道電流外，擴(kuò)散電流在高的偏壓下變得更為重要。包括隧道電流分量和擴(kuò)散電流分量的結(jié)電流電壓特性－－隧道二極管隧道/江崎二極管1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主LeoEsaki

（3）反向二極管若摻雜密度稍予減少，使得正向隧道電流可以忽略不計(jì)。反向二極管1、隧