【正文】 在光照表面和背面建立電勢差，稱為丹倍電勢差，這種效應(yīng)即丹倍效應(yīng)。l 陷阱效應(yīng)在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)和缺陷除了起施主、受主和復(fù)合中心的作用，在有些情況下，還能起陷阱作用：即陷阱中心能顯著俘獲并收容其中一種過剩載流子，這種情況下，代替Δp=Δn有Δp=Δn+ΔntΔnt表示為過剩載流子引起中心上的電子改變量。第六章 pn結(jié)167。1 pn結(jié)及其伏安特性基本特性：單向?qū)щ娦裕琾接（+）時稱為正向?qū)?，p接（?）時稱為反向截止。物理作用：pn結(jié)正向注入過剩少子，反向抽取少子作用167。 平衡pn結(jié)pn結(jié)實際上是一種非均勻半導(dǎo)體，因此熱平衡時各處費米能級在同一水平上，這是依靠在界面附近形成空間電荷區(qū)和自建電場實現(xiàn)的。空間電荷區(qū)p區(qū) EF N區(qū)對于pn結(jié)，n區(qū)電子濃度高于p區(qū)，電子向p區(qū)擴散，同樣p區(qū)空穴也要向n區(qū)擴散，使界面n型一側(cè)帶有正點，p型一側(cè)帶負電，形成電場，稱為自建場。從而阻止載流子向?qū)Ψ綌U散，自建場使n區(qū)能帶連同費米能級相對p區(qū)下降，直到使EF水平，形成勢壘。自建勢用VD表示:VD = (EFn?EFp)/e = [(EFn?Ei)+( Ei?EFp)]/e∵∴ ，同理因此得出，（其中nn0,pp0表示平衡時n區(qū)和p區(qū)多子濃度）在強電離溫度范圍內(nèi)nn0 =ND ， pp0 =NA載流子的漂移和擴散 運動的平衡自建勢的存在使平衡pn結(jié)中載流子的漂移運動相抵消，即在空間任何點，對電子，空穴都有漂移電流與擴散電流相抵消。廣義歐姆定律對于均勻半導(dǎo)體，有 ……式由于費米能級與帶邊之間距離恒定（均勻半導(dǎo)體，因此EF相對Ei的位置恒定）因此上面式等價于 ……式對于非均勻半導(dǎo)體，由于存在擴散電流式不再成立，但是可以證明，漂移電離和擴散電流之和仍可用式表示，因此也稱式為廣義歐姆定律表達式。下面是證明。證明：非均勻半導(dǎo)體電流可以表示為由于再代入得到，得證。廣義歐姆定律得一些推論在電流密度恒定時，在載流子密度最低的區(qū)域費米能級變化最大。在pn結(jié)中，若加偏壓，則電壓將體現(xiàn)在與勢壘相聯(lián)系得高阻區(qū)。167。 pn結(jié)的伏安特性pn結(jié)的伏安特性概括起來就是單向?qū)щ娦?，若在pn結(jié)上加正向電壓，電壓將主要降在勢壘區(qū)，使勢壘降低，擴散電流將超過漂移電流而形成正向電流，由于這是驅(qū)使多子向?qū)Ψ搅鲃樱士尚纬奢^大的正向電流；若施加反向電壓，勢壘增高，電場增強，漂移電流超過擴散電流形成反向電流，但由于這時是驅(qū)使少子流向?qū)Ψ剑娏鱽碓词艿絿乐叵拗?，因此反向電流通常很小。下面詳細分析正反偏壓下的情況。正向偏壓正向偏壓時，注入的少子依靠在勢壘兩側(cè)建立的少子濃度梯度向縱深擴散，穩(wěn)定注入下，少子電流與第五章中一維擴散問題相同，由于注入少子存在，故勢壘區(qū)附近不存在電子和空穴的統(tǒng)一費米能級（以后用EFh和EFe表示空穴和電子的準費米能級，用EFn和EFp表示很遠時統(tǒng)一的費米能級）p區(qū)n區(qū) Δp Δn pn0np0 xp xn 注入少子分布圖 e(VD?V) EC EFn EFp eV EV 正向pn結(jié)的能帶圖在任一點，電流可以寫作通過同一截面的電子電流和空穴電流之和，有j = jp(x) + jn(x)因此可以利用xp點的電流來表示通過pn結(jié)的電流，即j = jp(xp) + jn(xp)假設(shè)電子和空穴通過空間電荷區(qū)時不發(fā)生復(fù)合，則有jp(xp) = jp(xn) ∴j = jp(xn) + jn(xp)由第五章一維擴散結(jié)論得到由前面的推論可知費米能級主要變化在載流子濃度低的地方，又因為空間電荷區(qū)相對于電子空穴擴散長度很短，故可以認為準費米能級是在勢壘區(qū)以外降落的，據(jù)此得到上面的能帶圖。由能帶圖可知 ， ∴ ,同理因此得到設(shè) ，則l 還有幾種等價表達式，在上面的表達式中代入Lp，Ln的表達式，就得到又由于，∴ 又可以寫作這個表達式體現(xiàn)了溫度，禁帶寬度對的影響?！吆驮谕ǔ５膹婋婋x條件下取決于摻雜濃度，是常數(shù)，而，可以看出，禁帶越寬越小，溫度越高越大。l 幾個實際的近似1. pn結(jié)一般情況下往往是一邊摻雜濃度遠高于另一邊，因此的表達式中常常只有一項起作用。2. 正向偏壓下中很大，則式中的“1”可以省略，近似有j隨V指數(shù)增長。另外要指出的是：一般正向情況下，空間電荷區(qū)電壓不會超過VD，在V接近VD時，勢壘已經(jīng)近于拉平，這時加在空間電荷區(qū)以外的電壓不可忽略。反向偏壓p區(qū)n區(qū)np0 pn0 p n xp xn 反向pn結(jié)少子分布圖EFp e(VD+VR) eVR EFn反向偏壓時仍然成立，只是式中的V在此時為負數(shù)，反向偏壓下，準費米能級的降落仍在空間電荷區(qū)以外,只是在反偏下勢壘升高，空間電荷區(qū)少子欠缺，由于少子擴散區(qū)Δp，Δn為負值，將有載流子不斷產(chǎn)生，并輸運到勢壘邊界，由空間電荷區(qū)的強電場掃入對方，因此反向電流實際上是少子擴散區(qū)的產(chǎn)生電流。在|eV|kT條件下，因此反向飽和電流將穩(wěn)定在值上。綜上我們可以看到，反向電流很小是由于受有限的產(chǎn)生速率限制，如果在擴散長度范圍內(nèi)提供少子，將使反向電流增加。（這就是雙極晶體管的原理）空間電荷區(qū)的復(fù)合電流在前面的討論中我們略去了空間電荷區(qū)復(fù)合，實際上總電流的表達式應(yīng)為，其中jr表示復(fù)合電流，有，近似有，其中“δ”為等效厚度，“Rmax”是空間電荷區(qū)復(fù)合率的最大值，對應(yīng)于n = p時的復(fù)合率（即n = p的時候復(fù)合率最大），有近似公式，因此有，而和都正比于，得出復(fù)合電流在小電壓下起主要作用，通常試驗上有經(jīng)驗公式，其中“n”為理想因子。另外，和都正比于，因此有：，因此ni小時（對應(yīng)于寬禁帶材料）空間電荷區(qū)復(fù)合作用大。pn結(jié)電流轉(zhuǎn)換機制N型半導(dǎo)體中電子電流為主，P型半導(dǎo)體中空穴電流為主，pn結(jié)電流即從電子電流轉(zhuǎn)化為空穴電流的過程，通過復(fù)合實現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)換。n區(qū)電子漂移電流注入到p區(qū)邊界，少子擴散電流邊擴散邊復(fù)合，擴散電流減少，與空穴復(fù)合轉(zhuǎn)化為空穴電流。167。2 pn結(jié)電容pn結(jié)包含兩種電容效應(yīng)：勢壘電容和擴散電容。利用pn結(jié)的電容效應(yīng)可以十分有效地測量深能級參數(shù)。下面分別進行詳細介紹。167。 勢壘電容勢壘電容：外加電壓可以改變勢壘高度，使空間電荷區(qū)厚度發(fā)生變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。u 勢壘電容的計算：以突變結(jié)為例，計算步驟如下突變結(jié)：pn結(jié)兩側(cè)施主，受主都為均勻摻雜，即固定摻雜濃度只在界面處突變。為簡化計算，我們引入“耗盡近似”，即認為勢壘區(qū)載流子均已耗盡（空間電荷區(qū)載流子濃度趨于零）得到電荷分布如下圖：n區(qū) p區(qū)e?ND xn xp e?NA 電荷分布圖電荷分布為由電中性條件得到：eNDxn=eNAxp (即結(jié)兩側(cè)所帶正負電量之和為0)從而有，把空間電荷區(qū)厚度（xn+xp）用d表示，即d=（xn+xp）則存儲電荷 |Q|= eNDxn=eNAxp=,其中稱為約化濃度，用N*表示，故|Q|= ed N*，由于電場分布，而ρ(x)在兩側(cè)為常數(shù)，因此E(x)在兩側(cè)均為線性變化，得到電場分布如下圖所示：n區(qū) p區(qū) EM xn xp 電場分布圖不難求得，而xn ，xp兩點電勢差ΔV等于兩點之間對電場的積分，因此等于電場分布圖中陰影的面積。由此得到，導(dǎo)出而由前面所述，pn結(jié)空間電荷區(qū)壓降為VD?V，即上式中的ΔV=(VD?V)，得到，代入Q = eN*d，得到，代入電容公式得到突變結(jié)電容表達式：l 幾個討論(a) dQ/dV表達式中含有V，即C是V的函數(shù)C(V)，稱為微分電容。(b) 實際可類似平行板電容得出，V越大時，d越小，電容越大。(c) 對單邊突變結(jié)（即一側(cè)摻雜濃度顯著高于另一側(cè)）則高濃度一側(cè)電荷區(qū)厚度很小N*可以用低濃度一側(cè)摻雜濃度代替（由N*的表達式也可看出）(d) 若pn結(jié)類型為線性緩變結(jié)ρ=G?x，其中G為常數(shù)，此時有xn=xp=d/2 ，仍然成立但可求得此時此時電容 與成正比（d的求法與突變結(jié)過程類似，只是ρ的表達式不同）167。 擴散電容擴散電容：在正向偏壓下，空間電荷區(qū)外擴散長度范圍內(nèi)存貯有過剩載流子Δn，Δp（可參見本章167。）；顯然這些電荷的存貯量是隨正向偏壓增加的，這部分電容效應(yīng)成為擴散電容。擴散電容的計算：與過剩少子相對應(yīng)，為保持電中性，存在過剩多子分布因此總存貯電荷 QD=Qp+Qn ，對p型區(qū)同理，所以總存貯電荷由此得到擴散電容從擴散電容的表達式可以看出，CD隨正向偏壓指數(shù)增加，故反偏時極小。另外擴散電容與勢壘電容的關(guān)系是并聯(lián)關(guān)系，總電容與等效電阻之間也是并聯(lián)關(guān)系。167。3 光生伏特效應(yīng)與隧道效應(yīng)167。 光生伏特效應(yīng)原理：入射光源激發(fā)電子空穴對，在距勢壘區(qū)一個擴散長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的少子可被勢壘區(qū)強電場抽到對方，形成光致電流，顯然這個電流與反向電流方向一致。若斷路，則形成一定的正向電壓使正向電流與光致電流抵消，使伏安特性變?yōu)?。（使圖像向下平移）應(yīng)用：太陽能電池，光電二極管167。 pn結(jié)中的隧道效應(yīng)與隧道二極管除了前面的pn結(jié)電流轉(zhuǎn)換機制外，還存在另一種不同的電流機制，結(jié)一邊的導(dǎo)帶電子直接通過隧道效應(yīng)穿透到對面的價帶（或相反），這個過程稱為pn結(jié)中的隧道效應(yīng)，這種效應(yīng)只涉及到兩個帶中多子數(shù)量的變化，不會造成載流子的非平衡積累，而隧穿所需要的時間是微不足道的，因此基于此效應(yīng)得隧道二極管高頻性能很好。注：隧道二極管也稱江崎二極管，其伏安特性有負阻區(qū)。