p-n结原理3：p-n结的正向和反向特性

p-n结原理3：p-n结的正向和反向特性  

2012-05-24 12:18:25|  分类：微电子器件 |  标签：p-n结  击穿  隧道效应  雪崩倍增效应  电流-电压特性  |字号大中小 订阅

  Xie Meng-xian.  (电子科大，成都市)

 

（1）为什么p-n结的正向电流很大？并且往往主要是少数载流子电流？

——在热平衡时，p-n结的内建电场正好阻挡着两边载流子的净转移，保持着动态平衡，则没有电流通过。若在p-n结上外加一个正向电压（p端接正，n端接负）时，由于p-n结的势垒区可以近似为耗尽层，相当是一种高阻区，则外加电压将降主要降落在势垒区之上，而正向电压在势垒区中所产生的电场的方向正好与内建电场的方向相反，则削弱了内建电场，从而p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子就将会向对方一边转移；空穴进入到n型半导体中、以及电子进入到p型半导体中之后，都属于少数载流子，则将在势垒区外、扩散区边缘处积累、并形成浓度梯度，然后借助于扩散作用而向前（半导体内部）运动，从而形成正向电流——少数载流子扩散电流。

注意：少数载流子扩散电流的大小只与扩散区两边的少数载流子浓度梯度有关，而与势垒区中的状况无关。因为只有少数载流子才能积累起浓度梯度，所以正向扩散电流也就只是少数载流子才能产生出来。

——从p-n结的能带来看，外加正向电压削弱内建电场的效果，也就相当于降低了势垒高度；外加正向电压越大，势垒高度就降低得越多（大致有正比关系）。而势垒高度的降低，就将有大量的空穴越过势垒而注入到n型半导体中、以及大量的电子越过势垒而注入到p型半导体中，并在扩散区头部积累、形成一定的浓度梯度，从而造成少数载流子扩散的正向电流。由于载流子越过势垒的过程，在能量上需要遵从Boltzmann分布规律，所以能够越过势垒的载流子浓度与势垒高度之间有指数函数关系，亦即注入的少数载流子浓度与外加正向电压之间有指数函数关系；而少数载流子扩散电流与注入到势垒边缘的少数载流子浓度本身成正比，所以p-n结的正向电流也将随着外加正向电压的升高而指数式增大，在不是高的正向电压下即可通过很大的电流——正向导电。

【推论1】复合电流：由于在正向电压很低时，p-n结势垒高度降低微小，则通过的少数载流子扩散电流就将很小，这时若势垒区中存在着一定数量的复合中心，那么这些复合中心就将导致产生一定的电流——复合电流，这些复合电流就有可能大于少数载流子的扩散电流。而对于Si p-n结等，势垒区中复合中心的作用往往不可忽略，因此在很低的正向电压下，通过p-n结的正向电流将主要是复合中心的复合电流。这种复合电流的特点是：电流的大小与复合中心浓度和势垒厚度成正比；与正向电压也有指数函数的关系，但是上升的速度（即正向伏安特性曲线的斜率）较小一些，并且与温度的关系也要弱一些。

注意：通过p-n结的正向电流共有两个成分，即扩散电流和复合电流。一般，复合电流很小，只有在很低正向电压、扩散电流很小时才起主要作用；在较大正向电压时，以扩散电流为主。可以想见，如果增大势垒区中复合中心的数量（可以通过增大复合中心浓度和增宽势垒厚度来实现），那么复合电流及其作用也就必将增大；此外，禁带宽度越大，因为扩散电流的成分就越小，则复合电流的成分也将越大。

【推论2】pin结的正向电流： pin结实际上是一种势垒厚度非常大的p-n结，它的空间电荷是分布在i型层以外两边的边缘处，整个i型层都是势垒区（有内建电场，是耗尽层）；因此复合电流成分往往大于扩散电流，所以pin结的正向电流主要是复合电流——电流与电压有指数函数关系，但是电流增大的速度小于扩散电流的指数函数关系。

【推论3】p-n结正向电流的温度关系：值得注意，虽然p-n结在很低正向电压时的正向电流主要是复合电流，但是，实际上不管正向电压的高与低，p-n结正向电流与温度的关系都将主要决定于扩散电流的温度关系，而与复合中心无关。这是由于少数载流子扩散电流随温度的变化较大一些的缘故（对Si p-n结，在室温附近和在0.6V正向电压时，温度每增加10K时，正向扩散电流约增加一倍），所以p-n结的正向电流随温度的变化主要是少数载流子扩散电流成分的变化，即正向电流具有正的温度系数。也正因为如此，p-n结的正向电压的温度变化率才存在有一个固定的数值：Si p-n结正向电压的温度变化率约为–2mV/K，Ge p-n结正向电压的温度变化率约为–1mV/K。

【推论4】在正向电压很大时：p-n结势垒高度较低，则通过的扩散电流很大，往往会出现所谓大注入情况，这时外加电压将有少量降落在材料电阻和接触电阻之上，于是使得电流随电压上升的速度下降；当正向电压大到使得势垒高度变得近似为0时，那么p-n结也就完全失去了其基本特点，变成了一个纯粹具有电阻特性的结构。

（2）为什么p-n结的反向电流很小？为什么少数载流子在反向电流中往往起着重要的作用？

—— p-n结的反向电流包含有两个成分：少数载流子扩散电流和复合中心产生电流。并且这两种成分的电流随电压和温度变化的规律有所不同。

①扩散电流：当外加反向电压时，因为反向电压所产生的电场与内建电场的方向相同，则使得势垒区中的总电场得以增强，从而阻挡载流子向对方转移的作用增大，即p-n结的势垒高度升高，于是就不可能有少数载流子注入，所以也就没有正向的少数载流子扩散电流。但是，由于势垒区中电场的抽取作用而使得在扩散区边缘处的少数载流子浓度变为0，则体内的平衡少数载流子即将向势垒区边缘输运、并形成浓度梯度，从而就有少数载流子借助于扩散作用而进入势垒区，并被电场拉向对方一边，结果形成反向电流；可见，这种反向电流也将要受到扩散区两边浓度梯度、即扩散作用的限制，因此在性质上它也是一种少数载流子扩散电流。

然而，因为半导体中的平衡少数载流子浓度总是很小（特别是掺杂浓度较高时），所以在扩散区两边形成的浓度梯度就必将很小，从而产生的反向扩散电流也就必定很小。这就给出了p-n结的单向导电性。

这种反向扩散电流具有两个重要的特点：

a）是所谓饱和电流：不管反向电压的高低，在扩散区边缘处的少数载流子浓度将始终为0。因为反向电压的高低，只是改变势垒区中的电场强度，而并不会改变扩散区边缘处少数载流子浓度为0的状态，所以也就不能改变扩散区两边的少数载流子浓度梯度，从而也就不能改变少数载流子的反向扩散电流，因此反向扩散电流与反向电压无关，即这种反向电流是一种所谓饱和的电流——反向饱和电流。

b）正比于平衡少数载流子浓度：由于扩散区两边的浓度梯度近似地就等于平衡少数载流子浓度（令为线性分布，而且边缘处的少数载流子浓度总是0），所以反向扩散电流将与平衡少数载流子浓度成正比，即反向扩散电流将正比于本征载流子浓度的平方（因为npo=ni2/nno≈ni2/Ndo∝ni2[p型半导体]，pno=ni2/ppo≈ni2/Nao∝ni2[n型半导体]）。而本征载流子浓度与温度之间存在着指数函数的关系，所以反向扩散电流也将随着温度的升高而指数函数式增大。

②产生电流：在反向电压下，势垒区中的复合中心同样也将起着很大的作用，即出现产生电流。因为这时势垒区处于载流子严重欠缺的非平衡状态，则为了恢复平衡，其中的复合中心就表现为产生载流子的产生中心，产生出大量的电子和空穴；并且电子即被电场拉向n型半导体一边、空穴即被电场拉向p型半导体一边，从而就形成了反向电流。对于Si p-n结，这种反向产生电流的大小往往要大于反向扩散电流，因此产生电流对Si p-n结反向电流的贡献是主要的（对于Ge p-n结则否，那里是反向扩散电流为主）。

反向产生电流具有以下两个特点：

a）不是饱和电流；因为电流与势垒区中（包括势垒区表面）的产生中心的数量有关，而势垒厚度会随着反向电压的增大而展宽，所以产生中心的数量也将随着反向电压的增大而增多，于是反向产生电流也就不会饱和——电流与电压有关。

b）因为产生电流主要决定于势垒区中产生中心的数量，所以反向产生电流与温度的关系不大。然而由于反向扩散电流与温度之间存在着指数函数的关系，因此，尽管Si p-n结的反向电流在大小上主要是产生电流，但是反向电流在与温度的关系上则基本上决定于其中扩散电流成分随温度的变化，即反向电流具有较大的正温度系数。对Si p-n结，在室温附近每增加1℃，反向电流就相对增加15%，即每增加6℃，反向电流就增加一倍，这种变化率就是由于反向扩散电流的温度关系所致。

【推论1】半导体工艺：p-n结的反向电流大小是一个重要的性能指标。为了减小反向电流，除了适当提高两边的掺杂浓度（以降低反向扩散电流）以外，最重要的问题是要减少势垒区内部和表面的复合中心（以降低反向产生电流）。因为复合中心主要来自于杂质和缺陷，所以减小反向电流的具体措施有如：a）注意工艺清洁度，避免有害杂质的引入；b）注意工艺完美性，避免产生工艺诱生缺陷；c）选取无缺陷和无有害杂质的半导体材料；d）表面保护和钝化。总之，p-n结的反向电流与材料和工艺的完美性有很大的关系。

【推论2】隧道击穿：p-n结在反向电压下，除了产生一定的反向电流以外，还会发生所谓击穿——反向电流突然增大的一种现象。如果：p-n结两边的掺杂浓度很高、以致势垒厚度薄至de Broglie波长时；又，如果反向电压使得p型半导体价带中的价电子能量与n型半导体导带电子的能量相当时，那么，p型半导体价带中的大量价电子就可以借助于量子隧道效应，而直接隧穿到n型半导体的导带中去，从而形成很大的反向电流——反向隧道电流，这就是所谓p-n结的隧道击穿。

隧道击穿的特点：a）只有在势垒厚度很薄、简并的p-n结中才能出现；b）发生隧道击穿的反向电压很低（对于Si p-n结，一般低于5V）；c）隧道击穿电压具有负的温度系数：因为半导体禁带宽度将随温度的升高而变窄，这就使得p-n结势垒厚度变得更薄，所以隧道击穿电压降低。

【推论3】雪崩击穿：如果p-n结两边的掺杂浓度不是很高，则势垒厚度较大，这时在反向电压增大到很大时，也有可能发生击穿——雪崩击穿现象。因为高电场会使得势垒区中的个别载流子获得很大的动能，当一个载流子的动能达到约半导体禁带宽度的1.5倍时，就可以把价带中的一个价电子激发出来，即产生出一个电子-空穴对，而这些电子和空穴又被加速、获得能量，并进一步激发出新的电子-空穴对来，如此继续下去，即可很快地产生出大量的电子-空穴对，同时电子被势垒区中的电场拉向n型半导体一边，空穴被势垒区中的电场拉向p型半导体一边，从而形成很大的反向电流，即为雪崩击穿。

雪崩击穿的特点：

a）雪崩击穿只有在势垒厚度较大的非并p-n结中才会出现。因为若势垒太薄的话，载流子在电场加速下就不可能获得足够的动能，则难以达到雪崩击穿所需要满足的能量条件（即动能约为半导体禁带宽度的1.5倍），但这时容易发生隧道击穿。

b）雪崩击穿存在一个临界电场：这是由于雪崩击穿需要满足一个能量条件（即动能约为半导体禁带宽度的1.5倍），这只有在电场较强、载流子漂移一定距离后才能实现，所以发生雪崩击穿的反向电压都较高（对于Si p-n结，一般高于6V），而且势垒厚度也较大。可见，对于较大势垒厚度的p-n结，只要势垒区中某个局部的电场达到了临界击穿电场的话，那么就会发生雪崩击穿，因此提高雪崩击穿电压的重要措施就是：改善势垒区中电场分布的均匀性和降低最大电场。

c）击穿电压具有正的温度系数：因为温度升高时，载流子遭受散射的几率增大，使得平均自由程减短，则导致较难以达到雪崩击穿的能量条件，从而击穿电压提高。

d）禁带宽度越大，载流子需要获得更大的动能才能达到雪崩击穿的能量条件，所以击穿电压也就越高。

e）在势垒厚度不是非常薄的情况下，半导体掺杂浓度越高，势垒厚度就越小，电场也就越强，则就越容易达到临界击穿电场，所以雪崩击穿电压下降。