雪崩击穿和光电器件介绍与仿真

本推文包含两个部分，一个是雪崩击穿和碰撞电离的关系，一个是光电器件仿真简介。旨在提倡用理论知识去指导仿真，和通过仿真结果反过来加深对理论理解的重要性。

PART 01

雪崩击穿和碰撞电离

到底什么是电荷平衡呢

我们知道，在掺杂为硼（B）和磷（P）的P+N-结中，由于浓度差，P+区的空穴会扩散到N-区，在P+区留下不可移动的负电荷硼离子（B-），N-区的电子会扩散到P+区，在N-区留下不可移动的正电荷磷离子（P+），所以在P+N-结两边形成由N-区指向P+区的内建电场，电子会在内建电场的作用下从P+区漂移到N-区，空穴在内建电场的作用下从N-区漂移到P+区，载流子漂移运动与扩散运行的方向相反，当达到动态平衡时称为平衡态，在P+N-结两边形成的空间电荷区称为势垒区，或耗尽区。假设空间电荷区内的自由载流子已完全扩散掉,即完全耗尽电离杂质构成空间电荷区内电荷的唯一来源，P区耗尽区中的空间电荷密度为-qNA，N区耗尽区中的空间电荷密度为qND 。与此相对应的是，在耗尽区以外的半导体中可以采用“中性近似”，即认为耗尽区以外区域中的多子浓度仍等于电离杂质浓度，因此这部分区域保持了完全的电中性，所以耗尽区以外的区域又可称为“中性区”。载流子漂移和扩散运动形成的耗尽区，在P+N-二极管两端施加反向电压时，图中A区的电子会被抽取回阴极，B区的空穴会被抽取回阳极，会使该耗尽层展宽。假设A区抽取回n个电子，留下n个磷离子，为了维持电中性，即电荷平衡，从B区也要相应抽取回n个空穴，留下n个硼离子，所以耗尽区也称为等离子区（Plasma）。由于P+区为重掺杂，N-区为轻掺杂，所以要想抽取等量的载流子，或留下等量的不可移动的电荷，N-区的耗尽层比P+区的耗尽层更宽。电荷平衡在分析PN结耐压、超结结构电场分布、斜面终端表面耗尽层展宽等方面具有重要意义。

此外，通过公式也可以对电荷平衡理论进行解释，根据式

可知，N区耗尽区与P区耗尽区中电荷量的大小相等，而且掺杂浓度越高，耗尽区就越薄。所以耗尽区主要分布在低掺杂的一侧，耗尽区宽度与最大电场强度也主要取决于低掺杂一侧的掺杂浓度。低掺杂一侧的掺杂浓度越低,则耗尽区越宽，最大电场强度越小。

碰撞电离峰值点和电场峰值点重合吗

碰撞电离在结构图上的峰值点和电场的峰值点并不一定是完全重合的，碰撞电离只是与电场有着密切的依赖关系，电场最大的位置代表的是自由电子在该处受到的电场力最大，而能够撞击价键产生电子空穴的电子需要具备足够的速度、动能来破坏价键，引发雪崩效应，所以足够强的电场是因，发生碰撞电离是果，载流子受到电场力最大的位置并非是引发雪崩的位置，二者并不一定是重合的关系。

PART 02

光电器件仿真

光电器件基本仿真

光电器件是半导体器件的一个重要研究领域，其可以实现光与电之间相互转化。当光照射反偏的PN结二极管耗尽区时，PN结在光激发下产生电子空穴对，在反向电场作用下，电子移动至阴极，空穴移动至阳极，二极管的反向漏电增加。光电二极管探测器就是利用这一原理，通过观测漏电来计算光照强度等光学参数。

光脉冲仿真

光电器件的仿真中有一种运用较为广泛的模式是在一段时间内有光照，一段时间内没有光照，从而查看器件在有光照和没有光照条件下的漏电流大小，……。

由于仿真命令和仿真过程不便于公开，所以这里不进行展示。