基于过剩多子的PN结理论

摘要

传统PN结理论过分强调了少子在电流输运中的作用，这易使人们误认为PN结的电流由少子主导，或者误认为多子对电流无贡献。并且，传统理论中著名的二极管方程所给的电流也不是根据电流的定义直接给出的。不仅如此，基于传统理论框架，PN结的电中性和电流连续性等基本器件和物理问题尚不能得到完整准确的解释，因而导致诸多自相矛盾甚至错误的理解。
　　本论文回顾了传统PN结理论的核心要点，指出其存在的易使人误解的主要矛盾和不足。针对这些矛盾和不足，本论文明确提出PN结中“过剩多子”的概念，从理论上证明了PN结中过剩多子的存在性并证实其与模拟结果完全吻合。研究发现，准中性的P区和N区中过剩多子与过剩少子的分布相同（存在相同的浓度梯度），表明过剩多子参与扩散；首次提出并证明了与过剩载流子关联的“伴生电场”，给出了外加电场和伴生电场的解析表达式，指出多子也参与漂移，这从根本上消除了传统理论关于电中性和电流连续性的矛盾和误解。在此基础上，给出了PN结各处的四种电流成分的解析表达式，从而可以根据某处的四种电流成分（相加）直接得到通过PN结的总电流。
　　研究还发现，对于工作在交流状态下的PN结，传统理论认为交流总电流仍是两个空间电荷区边界处的少子扩散电流之和，而不能给出位移电流的作用，因而不能准确反映PN结的电容特性和高频特性。本文考虑了传导电流和位移电流，给出了PN结交流工作状态下的全电流表达式和PN结各处传导电流和位移电流表达式，由此直接得到了PN结的总电容。所给的表达式不仅清晰地表明了扩散电容和势垒电容的并联关系，而且适用于正偏和反偏情形。
　　论文对结型器件存在的若干器件物理效应给出了进一步分析和讨论。总之，本论文基于过剩多子存在性的证明，建立了关于PN结的新的理论体系，消除了传统理论中存在的矛盾和不足，对PN结直流性质、交流性质以及电容-电压特性给出了完整清晰的研究结果，从而对PN结理论具备了全新的理解和认识。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 传统PN结理论的局限性

1.3 多子（过剩多子）的研究综述

1.4 本论文主要工作及创新点

第二章 半导体中的电中性与电流连续性

2.1 电中性条件

2.2 空间电荷限制电流

2.3 电流连续性

2.4 本章小结

第三章 PN结的新理论体系

3.1 传统PN结理论要点回顾及其缺陷

3.2 过剩多子及其存在性证明

3.3 过剩载流子的伴生电场

3.4 PN结新理论体系的建立

3.5 PN结电流输运的讨论

3.6 PN结新理论的要点总结

3.7 本章小结

第四章 基于新理论的PN结交流性质研究

4.1 传统理论关于PN结交流性质存在的矛盾

4.2 PN结新理论的交流工作模型

4.3 基于新理论的电流-电压特性和电容-电压特性

4.4 PN结交流工作模型的要点总结

4.5 本章小结

第五章 PN结新理论对若干结型器件的应用

5.1 光照情况下PN结的电流输运

5.2 PIN结中载流子的色散效应

5.3 BJT的高频电流增益

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢