【摘要】：PN結(jié)作為構(gòu)成結(jié)型器件的基本結(jié)構(gòu),其理論分析主要建立在Shockley提出的PN結(jié)理論基礎(chǔ)上,但Shockley理論將分析重心集中在少子擴(kuò)散電流上,忽視了其他電流成分的作用。本文指出僅依靠耗盡層兩個(gè)邊界“間接分析”PN結(jié)總電流的傳統(tǒng)方式缺乏對電流傳輸?shù)恼w認(rèn)識并容易引起諸多困惑,創(chuàng)新地將“過剩多子”納入電流輸運(yùn)分析中,指出并仿真驗(yàn)證了中性區(qū)過剩多子保持與過剩少子等量分布以維持電中性。據(jù)此還解析描述了中性區(qū)電場分布,于是載流子(多子和少子)在電場牽引下形成漂移電流,過剩載流子在濃度分布梯度下形成擴(kuò)散電流,繼而直觀地展現(xiàn)了中性區(qū)中不同電流成分(擴(kuò)散、漂移)的空間分布。在此基礎(chǔ)上,總電流“直接”由空間位置上的多子和少子的擴(kuò)散、漂移電流相加得到,且表現(xiàn)出空間上的電流連續(xù)。此外,新理論體系下還可對少子漂移電流以及中性區(qū)壓降等通常被忽視的物理量產(chǎn)生更深刻的理解。新理論體系運(yùn)用到低頻交流小信號工作狀態(tài),載流子及電場在交流信號下的變化也可得到定量表達(dá)。而交流總電流由總交流信號下的傳導(dǎo)電流和位移電流構(gòu)成,二者在整個(gè)PN結(jié)中相互補(bǔ)償維系了電流的連續(xù)。同時(shí),小信號模型還可完整地給出PN結(jié)的低頻總電容,本文還闡述了非對稱摻雜和頻率變化對電容的影響。另外,新理論也成功推廣并運(yùn)用到光照下PN結(jié)的分析中,相應(yīng)的數(shù)值仿真也印證了理論分析的科學(xué)性。總之,新理論體系成功解決了傳統(tǒng)PN結(jié)理論所引起的困惑,直觀把握了每種電流成分在電流輸運(yùn)中扮演的角色,對各物理量(特別是電場)的成因及物理意義都有明確認(rèn)識,重塑了對PN結(jié)電流輸運(yùn)的理解,不失為一套具有普適性的PN結(jié)理論。
【圖文】：

1.2 傳統(tǒng) PN 結(jié)理論回顧半導(dǎo)體晶體一般以共價(jià)鍵或者離子鍵的方式結(jié)合，Ⅳ族元素典型代表硅（Si）晶體在結(jié)合時(shí)就是以共價(jià)鍵的形式。如圖 1-1（a），每個(gè) Si 原子與周圍四個(gè)相鄰的 Si 結(jié)合，結(jié)合的原子各自貢獻(xiàn)出一個(gè)電子在硅與硅之間形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。像這樣穩(wěn)定結(jié)合的本征半導(dǎo)體硅，其共價(jià)鍵難以被打破，因此絕對零度下本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電，只有在受到較高的外加激發(fā)下才能形成自由載流子。如圖 1-1（b），，若向純凈的硅中摻入Ⅲ族雜質(zhì)（如硼），則硼原子頂替原來硅原子的位置，但硼原子最外層只有 3 個(gè)電子與 Si 結(jié)合，需要奪取其他 Si 原子中的一個(gè)電子形成硼離子（B-），從而留下一個(gè)空位即為空穴，這種能夠產(chǎn)生空穴的半導(dǎo)體材料即是 p型半導(dǎo)體材料。如圖 1-1（c），如果向純凈的硅中摻入Ⅳ族雜質(zhì)（如磷），磷原子在頂替原來硅原子的位置后，多出一個(gè)價(jià)電子，電子在輕微的能量激發(fā)下便可脫離成為導(dǎo)電電子，磷原子在少了一個(gè)電子后成為帶正電的磷離子（P+），這種能夠提供電子的半導(dǎo)體材料即為 n 型半導(dǎo)體材料。

論文 基于過剩多子的 PN 結(jié)全不均，p 區(qū)空穴有向 n 區(qū)運(yùn)動的趨勢，而 n 區(qū)電電子或空穴與雜質(zhì)離子分離，便會產(chǎn)生“自建電場至達(dá)到凈電流為零的穩(wěn)定狀態(tài)，PN 結(jié)的“自建電帶的角度理解 PN 結(jié)，如圖 1-2 所示，由于同一而 p 型與 n 型材料結(jié)合處能帶彎曲形成平衡態(tài)下映了“自建電勢”的大小。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O475

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本文編號：2621127