作者jfsu (水精靈)
看板Electronics
標題Re: [問題] 二極體之飄移電流與擴散電流
時間Tue Apr 19 14:39:36 2011
: 有些東西教得跟高工學的不太一樣 有點搞混
: 上來發問釐清一下觀念
: 先說我的觀念
: 擴散電流(diffusion):因為電子電洞(價電層)的濃度不均所產生的電流
: (個別來看 P.N都是電中性 是由於從共價鍵去看)
: 飄移電流(drift):因為電場而形成之電流
以上觀念沒錯。但我將在下面重新做更詳細的描述。
: Q1:當順向偏壓時，流出二極體的是擴散電流還是飄移電流？
: 高中是說 因為是受外加"電場"的影響，符合飄移電流定義，是飄移電流
: 大學是說 流的是擴散電流 而且 Id = Is*e^(Vd/Vt) 這是擴散電流公式
: 而且課本是用濃度去推倒.....
: Q2:當無外加偏壓時，飄移電流是在空乏區流?(只有空乏區有電場)
: 另有沒有擴散電流 飄移電流的影片??
: 這樣說理論感覺還蠻抽象的
: 因為系上開電子學的課只有2學期，必須教得比較快
: 買的書是Rasavi書 老師也有說這本書的圖有些有錯 但這本偏通訊
: 且simth 難而多 所以挑這本.....
你所遇到的問題，基本上不能回頭翻找電子學，你要找的是
『半導體材料』或是
『固態物理』等等偏向元件或是材料特性的書籍。
以下回答你的問題。
首先，我們先考慮
熱平衡(thermal)下的PN接面(pn-junction)。
底下是在熱平衡時，PN接面所形成的空間電荷區的情況，你可以在任何相關的書中找到。
強烈建議，你一定要會畫這類的圖。
→
電場(ε)
←———
┌─────╤─╤─╤─────┐
│ │－│⊕│ │
│ │－│⊕│ │
│ │－│⊕│ │
└─────╩─╩─╩─────┘
P-type 空間電荷 N-typ
電子
飄移
Ecp__________ ‧ ______ Ecp:P-type 價帶
＼ ↘ 電子 ↑ Ecn:N-type 價帶
＼ 擴散 ∣qVo Evp:P-type 導帶
＼ ↖‧ ↓
＼______________Ecn Evn:N-type 導帶
Eip---------- EFp:P-type費米能階
↑qψp ╲ EFn:N-type費米能階
EFp▁▁▁▁▁▁＼▁▁▁▁▁▁▁▁▁EFn Ei:本質費米能階
＼ ↑qψn
＼ ↓
------------Ein
Evp─────
////////// ＼
//////////// ＼
////////////// ＼
/// ─────Evn
//////////
∣←QNP→∣←SCR→∣← QNN→∣ SCR:空間電荷區
(space charge region)
P-N接觸時，由於兩邊的
電洞與電子濃度不同，大量電子流向P測，大量電洞流向N側。
當這些載子各自流向接面的對側後，會原來的區域留下未補償的空間電荷，
即形成所謂的
空間電荷區(space charge region)，這裡頭會建立一個內建電場
(built-in field)，此
電場會產生飄移電流(Jdrift)；而在
熱平衡時(即兩邊的費米能階
相同,EFn = EFp)，飄移電流會與因擴散形成的電流(Jdiff)所平衡。
Jp,diff + Jp,drift = 0
Jn,diff + Jn,drift = 0
此時，空間電荷建立一個
位能障(potential barrier): qVo，
此位能障是由於P-N兩側不同的材料接觸所形成，故又稱為
接觸電位(contact potential)
理想情況下，空間電荷區內完全沒有可移動的載子，因此又叫做
空乏區(depletion
region)，該區之外，電荷為電中性，稱為準中性區(Qusai-Neutral region)
即上圖之QNP與QNN。
接著，我們再來考慮
非熱平衡(non-thermal)下的PN接面(pn-junction)，即是
有外加
的偏壓下，SCR的寬度會隨之變化，同時位能障高度也會改變。
(假設外加的電壓會完全落在SCR兩側。)
擴散電流
定義:P側的電洞與N側的電子分別克服位能障而向對側流動所形成。
I. 當外加順向偏壓:EFn-EFp = qVF, VF:forward bias
位能障高度降低為q(Vo-VF)，載體所形成的擴散電流因而增大，使得PN接面的
順向電流(由P向N流)變大
II. 當外加逆向偏壓:EFp-EFn = qVR, VR:reverse bias
位能障高度增加為q(Vo+VR)，P側的電洞與N側的電子沒有足夠的能量克服該位能障
載體所形成的擴散電流可以忽略不計!!!!
飄移電流
定義:
a.由P側的電子與N側的電洞擴散至空間電荷區(空乏區)邊緣，被掃下位能障後，
又被對側的歐姆接觸所收集而成。
b.另一種可能是在空乏區因熱擾動而產生電子電洞對，受到電場的飄移作用而分離
，使得P側空乏區內的電子與N側空乏區內的電洞分別向對側飄移而形成。
飄移電流是少數載子所形成的電流，它的大小與位能障高度幾乎沒有關係！
(請自行畫出順偏與逆偏的能帶圖，你會發現不管順偏或逆偏，少數載子都是被掃下
位能障)。影響飄移電流大小的是每秒有多少載子掃下而被收集。
≒ Jdiff, 順偏
Jtotal = Jdiff + Jdrift｛
≒ Jdrift, 逆偏
上述近似關係的成立是因為順向偏壓時擴散電流大增遠超過飄移電流;而在逆向偏壓時，
擴散電流卻小得可以忽略。不論何種偏壓形式，飄移電流幾乎沒什麼改變。
揪竟～擴散電流如何隨著偏壓變化?
揪竟～擴散電流與飄移電流的大小有何關係？
咳...底下就是數學公式的推導...不過，這應該是你的功課才對，所以我簡單列出結果
順向飽合電流 I = qA(Dp*Pno/Lp + Dn*Npo/Ln)(e^(qV/KT) - 1)
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
定義為Io
= Io(e^(qV/KT) - 1)
逆偏:V = -Vr < 0
I = Io(e^(-qVr/KT) - 1)
若qVr >> KT, I ≒ - Io = -q*A*ni^2(Dp/Nd*Lp + Dn/Na*Ln)
即為飄移電流，
方向與擴散電流相反，故又稱為逆向飽和電流(Reverse saturation
current)。順便一提，從公式中可看出，飄移電流與溫度有強烈的依存關係！
最後，回答你的問題。
: Q1:當順向偏壓時，流出二極體的是擴散電流還是飄移電流？
: 高中是說 因為是受外加"電場"的影響，符合飄移電流定義，是飄移電流
: 大學是說 流的是擴散電流 而且 Id = Is*e^(Vd/Vt) 這是擴散電流公式
: 而且課本是用濃度去推倒.....
A1:如果偏壓夠大，那就是擴散電流。
: Q2:當無外加偏壓時，飄移電流是在空乏區流?(只有空乏區有電場)
A2:你說"
無外加偏壓"是指
熱平衡下嗎？如果是，由上述公式
I = Io(e^(-qV/KT) - 1)，V = 0
I = Io(e^0 -1) = Io-Io = Idiff + Idrift = 0
淨電流為零！
以上有解答你的疑惑嗎？
如果沒有，請提問或是自行翻書。
ps.題外話，這類的問題在40年前，發明電晶體三人之一的蕭克利也遇到過，他提出
『少數載子注入』(minority carrier injection)概念。
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 203.66.222.12
※ 編輯: jfsu 來自: 203.66.222.12 (04/19 14:39)
推 gamesame7711:電場方向... 04/19 15:50
※ 編輯: jfsu 來自: 203.66.222.12 (04/19 16:08)
推 deathcustom:板主還不快M，J大很少發知識文耶lol 04/19 17:12
推 gary3081:的確是好文 寫的很詳細!!! 04/19 21:27
推 ofd168:太驚人了!!!我大概懂了，感謝大大花這麼多時間解答 04/19 21:33
推 GG3:推 04/19 22:15
推 trueclamp:推薦這篇文章 04/20 01:01
推 Maybetrue:看到圖，我淚了 04/20 18:39
推 calman:不好意思 我有問題想問一下 空乏區形成的電場 會驅動哪邊的 04/21 01:02
→ calman:載子而產生遷移電流呢? 空乏區當中不是已沒自由的載子?? 04/21 01:03
→ jfsu:樓上，少數P-type中的電子與N-type中的電洞仍會因電場的關係 04/21 01:22
→ jfsu:產生電流...這是所謂的"少數載子注入" 04/21 01:23
推 nevinyrrals:不好意思想請問一個問題 順偏時影響電流的主要機制是 04/21 06:15
→ nevinyrrals:因為位能障變小而導致的擴散電流 而逆偏時的主要電流 04/21 06:17
→ nevinyrrals:則是反向的少數載子飄移電流+大逆偏時引致之崩潰電流 04/21 06:18
→ nevinyrrals:兩者的機制應該不一樣 可是為何會有相同的數學形式呢? 04/21 06:20
推 calman:謝謝J大 了解了 :) 04/21 11:17
→ jfsu:因為都是以Jtotal = Jdrift + Jdiff去推導的 04/22 00:41
推 BeautyIsDie:這圖太強大了 04/25 01:03
推 pttptt2008:朝聖! 02/01 20:28