雪崩擊穿和光電器件介紹與仿真

本推文包含兩個部分，一個是雪崩擊穿和碰撞電離的關(guān)系，一個是光電器件仿真簡介。旨在提倡用理論知識去指導(dǎo)仿真，和通過仿真結(jié)果反過來加深對理論理解的重要性。

PART 01

雪崩擊穿和碰撞電離

到底什么是電荷平衡呢

我們知道，在摻雜為硼（B）和磷（P）的P+N-結(jié)中，由于濃度差，P+區(qū)的空穴會擴散到N-區(qū)，在P+區(qū)留下不可移動的負(fù)電荷硼離子（B-），N-區(qū)的電子會擴散到P+區(qū)，在N-區(qū)留下不可移動的正電荷磷離子（P+），所以在P+N-結(jié)兩邊形成由N-區(qū)指向P+區(qū)的內(nèi)建電場，電子會在內(nèi)建電場的作用下從P+區(qū)漂移到N-區(qū)，空穴在內(nèi)建電場的作用下從N-區(qū)漂移到P+區(qū)，載流子漂移運動與擴散運行的方向相反，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時稱為平衡態(tài)，在P+N-結(jié)兩邊形成的空間電荷區(qū)稱為勢壘區(qū)，或耗盡區(qū)。假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)的自由載流子已完全擴散掉,即完全耗盡電離雜質(zhì)構(gòu)成空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的唯一來源，P區(qū)耗盡區(qū)中的空間電荷密度為-qNA，N區(qū)耗盡區(qū)中的空間電荷密度為qND 。與此相對應(yīng)的是，在耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體中可以采用“中性近似”，即認(rèn)為耗盡區(qū)以外區(qū)域中的多子濃度仍等于電離雜質(zhì)濃度，因此這部分區(qū)域保持了完全的電中性，所以耗盡區(qū)以外的區(qū)域又可稱為“中性區(qū)”。載流子漂移和擴散運動形成的耗盡區(qū)，在P+N-二極管兩端施加反向電壓時，圖中A區(qū)的電子會被抽取回陰極，B區(qū)的空穴會被抽取回陽極，會使該耗盡層展寬。假設(shè)A區(qū)抽取回n個電子，留下n個磷離子，為了維持電中性，即電荷平衡，從B區(qū)也要相應(yīng)抽取回n個空穴，留下n個硼離子，所以耗盡區(qū)也稱為等離子區(qū)（Plasma）。由于P+區(qū)為重?fù)诫s，N-區(qū)為輕摻雜，所以要想抽取等量的載流子，或留下等量的不可移動的電荷，N-區(qū)的耗盡層比P+區(qū)的耗盡層更寬。電荷平衡在分析PN結(jié)耐壓、超結(jié)結(jié)構(gòu)電場分布、斜面終端表面耗盡層展寬等方面具有重要意義。

此外，通過公式也可以對電荷平衡理論進(jìn)行解釋，根據(jù)式

可知，N區(qū)耗盡區(qū)與P區(qū)耗盡區(qū)中電荷量的大小相等，而且摻雜濃度越高，耗盡區(qū)就越薄。所以耗盡區(qū)主要分布在低摻雜的一側(cè)，耗盡區(qū)寬度與最大電場強度也主要取決于低摻雜一側(cè)的摻雜濃度。低摻雜一側(cè)的摻雜濃度越低,則耗盡區(qū)越寬，最大電場強度越小。

碰撞電離峰值點和電場峰值點重合嗎

碰撞電離在結(jié)構(gòu)圖上的峰值點和電場的峰值點并不一定是完全重合的，碰撞電離只是與電場有著密切的依賴關(guān)系，電場最大的位置代表的是自由電子在該處受到的電場力最大，而能夠撞擊價鍵產(chǎn)生電子空穴的電子需要具備足夠的速度、動能來破壞價鍵，引發(fā)雪崩效應(yīng)，所以足夠強的電場是因，發(fā)生碰撞電離是果，載流子受到電場力最大的位置并非是引發(fā)雪崩的位置，二者并不一定是重合的關(guān)系。

PART 02

光電器件仿真

光電器件基本仿真

光電器件是半導(dǎo)體器件的一個重要研究領(lǐng)域，其可以實現(xiàn)光與電之間相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)光照射反偏的PN結(jié)二極管耗盡區(qū)時，PN結(jié)在光激發(fā)下產(chǎn)生電子空穴對，在反向電場作用下，電子移動至陰極，空穴移動至陽極，二極管的反向漏電增加。光電二極管探測器就是利用這一原理，通過觀測漏電來計算光照強度等光學(xué)參數(shù)。

光脈沖仿真

光電器件的仿真中有一種運用較為廣泛的模式是在一段時間內(nèi)有光照，一段時間內(nèi)沒有光照，從而查看器件在有光照和沒有光照條件下的漏電流大小，……。

由于仿真命令和仿真過程不便于公開，所以這里不進(jìn)行展示。