基于过剩多子的PN结全电流输运性质研究

发布时间：2020-04-09 18:43

【摘要】：PN结作为构成结型器件的基本结构,其理论分析主要建立在Shockley提出的PN结理论基础上,但Shockley理论将分析重心集中在少子扩散电流上,忽视了其他电流成分的作用。本文指出仅依靠耗尽层两个边界“间接分析”PN结总电流的传统方式缺乏对电流传输的整体认识并容易引起诸多困惑,创新地将“过剩多子”纳入电流输运分析中,指出并仿真验证了中性区过剩多子保持与过剩少子等量分布以维持电中性。据此还解析描述了中性区电场分布,于是载流子(多子和少子)在电场牵引下形成漂移电流,过剩载流子在浓度分布梯度下形成扩散电流,继而直观地展现了中性区中不同电流成分(扩散、漂移)的空间分布。在此基础上,总电流“直接”由空间位置上的多子和少子的扩散、漂移电流相加得到,且表现出空间上的电流连续。此外,新理论体系下还可对少子漂移电流以及中性区压降等通常被忽视的物理量产生更深刻的理解。新理论体系运用到低频交流小信号工作状态,载流子及电场在交流信号下的变化也可得到定量表达。而交流总电流由总交流信号下的传导电流和位移电流构成,二者在整个PN结中相互补偿维系了电流的连续。同时,小信号模型还可完整地给出PN结的低频总电容,本文还阐述了非对称掺杂和频率变化对电容的影响。另外,新理论也成功推广并运用到光照下PN结的分析中,相应的数值仿真也印证了理论分析的科学性。总之,新理论体系成功解决了传统PN结理论所引起的困惑,直观把握了每种电流成分在电流输运中扮演的角色,对各物理量(特别是电场)的成因及物理意义都有明确认识,重塑了对PN结电流输运的理解,不失为一套具有普适性的PN结理论。
【图文】：

本征半导体,共价键,原子,电子

1.2 传统 PN 结理论回顾半导体晶体一般以共价键或者离子键的方式结合，Ⅳ族元素典型代表硅（Si）晶体在结合时就是以共价键的形式。如图 1-1（a），每个 Si 原子与周围四个相邻的 Si 结合，结合的原子各自贡献出一个电子在硅与硅之间形成稳定的共价键。像这样稳定结合的本征半导体硅，其共价键难以被打破，因此绝对零度下本征半导体不导电，只有在受到较高的外加激发下才能形成自由载流子。如图 1-1（b），，若向纯净的硅中掺入Ⅲ族杂质（如硼），则硼原子顶替原来硅原子的位置，但硼原子最外层只有 3 个电子与 Si 结合，需要夺取其他 Si 原子中的一个电子形成硼离子（B-），从而留下一个空位即为空穴，这种能够产生空穴的半导体材料即是 p型半导体材料。如图 1-1（c），如果向纯净的硅中掺入Ⅳ族杂质（如磷），磷原子在顶替原来硅原子的位置后，多出一个价电子，电子在轻微的能量激发下便可脱离成为导电电子，磷原子在少了一个电子后成为带正电的磷离子（P+），这种能够提供电子的半导体材料即为 n 型半导体材料。

平衡态,PN结,能带图

论文基于过剩多子的 PN 结全不均，p 区空穴有向 n 区运动的趋势，而 n 区电电子或空穴与杂质离子分离，便会产生“自建电场至达到净电流为零的稳定状态，PN 结的“自建电带的角度理解 PN 结，如图 1-2 所示，由于同一而 p 型与 n 型材料结合处能带弯曲形成平衡态下映了“自建电势”的大小。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O475

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