半导体的小注入和大注入（比较）
（为什么小注入时只考虑少数载流子的扩散系数和寿命？为什么一般只
考虑多数载流子的漂移电流？什么是双极扩散系数？什么是双极迁移率？什么
是双极寿命？）
Xie Meng-xian.  (电子科大，成都市)
所谓大注入，就是注入到半导体中的非平衡少数载流子浓度接近或者超过
原来的平衡多数载流子浓度（～掺杂浓度）时的一种情况。这是相对于小注入
而言的，所谓小注入就是注入的非平衡少数载流子浓度远小于原来的平衡多数
载流子浓度（～掺杂浓度）的状态。显然，对于一般掺杂浓度的半导体，常见
的是小注入情况；但是对于轻掺杂（高阻）半导体或者载流子被耗尽了的宽势
垒区中，则常见的是大注入情况。
大注入状态在pin结、Mott势垒以及许多大功率器件中，都往往起着决定
性的作用。
载流子的注入并不影响半导体内部的电中性。对于电阻率不是特别高的半
导体，电中性条件总是得以满足的，即使有载流子注入时，半导体内部也同样
保持为电中性，即非平衡载流子的浓度及其梯度总是相等的：Δn=Δp，d(Δ
n)/dx=d(Δp)/dx。
（1）小注入的特点：
在小注入情况下，注入的非平衡少数载流子浓度虽然远小于多数载流子浓度，但是却仍然大于平衡少数载流子浓度。因此，非平衡少数载流子的作用往
往不可忽略。例如，少数载流子对导电贡献就是这样一种情况。虽然少数载流
子的数量微乎其微，然而由于非平衡少数载流子能够形成很大的浓度梯度，所
以它们的扩散电流往往是不可忽略的（只是少数载流子的漂移电流才是完全可
以忽略的）。正因为如此，所以依靠少数载流子来工作的双极型器件（p-n结、
BJT和SCR等）的主要工作电流就是少数载流子电流（有时比多数载流子的漂
移电流还要大）。
对于半导体的小注入状态，有几个显著的特点：
①在漂移电流中，只需要考虑多数载流子的电流，少数载流子的漂移电流
可以忽略。因为注入的少数载流子浓度很低，在半导体中总的少数载流子数量
与多数载流子相比总是可以忽略的。从而少数载流子的注入不会引起半导体电
导的变化。
②只需要考虑非平衡少数载流子的扩散与复合。因为只有少数载流子才能
形成明显的浓度梯度、并且具有较长的寿命，所以扩散电流是少数载流子所特
有的。因为非平衡多数载流子的介电弛豫时间很短，难以形成显著的浓度梯度，所以一般认为不能注入多数载流子，并且可忽略多数载流子的扩散作用。
③不会因为载流子的注入而额外产生出明显的内建电场。
（2）大注入的特点：
在大注入情况下，由于电子和空穴的浓度相当，则再也不能区分出少数与
多数载流子了。这时两种载流子都将对导电等的贡献具有相同的作用，于是半
导体在性质上就会有所不同。大注入半导体具有以下一些显著的特点：
①产生电导调变效应。因为这时少数载流子的漂移电流大小与多数载流子
的差不多，则少数载流子对于电导的贡献与多数载流子同等重要，从而使得半
导体总的电导在大注入时得到了很大的提高——电导调变效应。
②产生内建电场。由于注入的的少数载流子，不仅浓度很大，而且浓度分
布又不均匀，则为了维持半导体的电中性，多数载流子的浓度分布也要产生同
样的梯度（即d(Δn)/dx=d(Δp)/dx），即造成了很大的浓度梯度；于是，与
掺杂浓度不均匀的情况一样，多数载流子在很大浓度梯度的驱使下将要发生扩散，从而会产生出内建电场。
③发生Auger复合效应。因为两种载流子的浓度都很大，则三个载流子相遇、并发生复合的几率就较大，即容易发生Auger复合，并从而导致载流子的
寿命大大降低。
④载流子的输运变成为双极输运——双极扩散和双极漂移。在大注入的非
平衡情况下，两种载流子的浓度大小相当、浓度梯度相等，因此两种载流子的
扩散和漂移运动都需要考虑。
当两种载流子同时沿着同一方向扩散时，由于电子、空穴的扩散系数不同，则电子与空穴会拉开一段距离，但因为其间自建电场的Coulomb吸引作用，则
达到稳定时即将保持不变的一段距离。因此，在大注入时非平衡载流子的扩散
所产生的电流并不是纯粹的扩散电流，还有漂移电流。这种情况下的电流仍然
注入
可以认为是扩散电流，但是其中的扩散系数应该修正为两种载流子同时扩散的
有效扩散系数——双极扩散系数Da：
因为双极扩散系数总是小于一种载流子的扩散系数（即Da<Dn或Dp），
所以大注入时的自建电场具有干扰扩散的作用。
在小注入和n>>p或p>>n情况下，双极扩散系数Da即退化为Dn或Dp。
对于有外加电场E的大注入情况，需要同时考虑两种载流子的漂移——双
极漂移运动。同样，这时可引入两种载流子同时漂移的有效迁移率——双极迁
移率μa。对于n型半导体和p型半导体，可分别表示为
在大注入时，随着非平衡载流子的扩散和漂移的等效参量（双极扩散系数和双极迁移率）的引入，载流子的复合寿命也将由小注入时的少数载流子寿命（τpo和τno）变化为大注入时的少数载流子寿命——双极寿命τa。由小注
入的Shockley-Read公式即可得到大注入（Δn>> no+po）时的少数载流子的间接复合寿命——双极寿命为τa=τp+τn。
在考虑到双极扩散系数、双极迁移率和双极寿命这些等效的参量之后，则
可以由小注入时的载流子连续性方程，直接给出大注入时的载流子连续性方程，只要把其中的相关参量更改为双极输运参量即可。
总之，在大注入时因为不能区分出多数载流子与少数载流子，则非平衡载
流子的输运性能参量（扩散系数和迁移率）和复合参量——寿命就都需要采用
另外等效的相关物理量来表示，这就是载流子的双极性能参量——双极扩散系数、双极迁移率和双极寿命。在引入这些双极性能参量之后，即可直接采用小
注入时的相关关系的一般形式。
（3）大注入效应：
在半导体器件的工作中，大注入本身的特点就将导致出现许多新的现象或
者影响，这种大注入现象对于器件性能的影响即称为大注入效应。大注入效应
的主要表现有以下几种：
①大注入所产生的内建电场具有加速少数载流子输运的作用，从效果来看，这就相当于使少数载流子的扩散系数增大了一倍。对于BJT，这种大注入效应
可加速少数载流子渡越基区的过程，有利于提高电流增益和频率、速度等性能。
②在BJT中，大注入时的电导调变效应可以导致其基区发生所谓Webster
效应（基区电导调制效应）。晶体管基区电导率的增大，就将降低发射结注射
效率，从而使电流放大系数减小。对于基区掺杂浓度较低的合金晶体管，基区
电导调制效应往往是影响其放大性能的一个重要因素；大电流时β的下降就是
由于Webster效应的结果（这也就限制了晶体管的最大工作电流）。
③引起发射极电流集边效应。因为BJT总是存在一定大小的基极扩展电阻，则在大注入——大电流时，基极电流增大，而该基极电流是横向流动的，它在
基极电阻上的压降也相应地增大，这就导致发射结的中心与边缘处出现较大的
电位差——自偏压效应，从而使得发射结的结面只有边缘处才能注射载流子，
这就是发射极电流集边效应。这种效应就将使得发射结面积不能充分利用，影
响到器件的大电流工作性能；也因此，为了增大BJT的电流，就应当增加发射
结的周长（而不是增大发射结面积），从而发射极就需要采用指条形等较为复
杂的图形。
④引起基区展宽效应。对于BJT，大注入还会产生所谓基区展宽效应（即Kirk效应），这将直接影响到器件的增益、频率和速度等性能。发射极电流集边效应还将有促进基区展宽效应的作用。对于Si平面晶体管而言，Kirk效应往往是导致其大电流时β下降的主要因素，并因此也就限制了这种晶体管的最大工作电流。
⑤容易引起二次击穿。在大电流时，p-n结或者材料的不均匀性就容易导致局部电流集中，从而产生二次击穿，限制了工作电压。
总之，大注入效应有两个方面的重要影响：一方面，大注入作用像基区不均匀掺杂一样，都可以产生加速少数载流子运动的内建电场；这有利于提高晶体管的性能——主要是减短载流子渡越基区的时间，提高特征频率fT，也可增大输出电流，增大电流放大系数和增强晶体管的驱动能力。另一方面，大注入对晶体管也有许多不良的影响；在大注入（大电流）时，晶体管将要出现一系列的大注入效应：发射极电流集边效应、基区展宽效应（Kirk效应）和基区电导调制效应（Webster效应）等，这都将使得电流放大系数降低、频率特性变差等。总的说来，第二方面的不良影响是主要的，所以在设计晶体管的时候，需要尽量避免出现大注入效应。

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