PN结器件电流—电压特性.doc

实验一PN结器件电流—电压特性一、基本原理PN结是半导体结型器件的核心,是IC电路的最基本单元,诸多半导体器件都是由PN结组成的。最简单的结型器件是半导体二极管,根据不同场合的用途,使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管,如整流二极管、检波二极管、光电二极管(发光二极管、光敏二极管)等;三极管与结型晶体管就是由两个PN结构成的。因此深入了解与掌握PN结的基本特性,是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。PN结的最重要特性是单向导电性,即具有整流特性。也就是说,正向表现低阻性,反向为高阻性。若在PN结上加上正向偏压(P区接正电压、N区接负电压)则电流与电压呈指数关系,如下式(Ⅰ)式中q是电子电荷,K是波尔兹曼常数,T是工作温度(K),V是外加电压,n是复合因子,根据实际测量曲线求出。随着电压缓慢升高,电流从小急剧增大,按指数规律递增。对于用Ⅲ-Ⅴ族宽禁带材料制成的发光二极管而言,当外加电压V<、电流很小时(I<),则通过结内深能级复合占主导地位,这时n≈2。随着外加电压的升高,PN结载流子注入以扩散电流起支配作用,I就急剧上升,这时n≈1。根据实际测量I-V关系求得n值大小就可作为判断一个结型二极管优劣的标志。如果PN结两边外加反向偏压(P区接负压、N区接正电压)这时在PN结空间电荷层内载流子的漂移运动大于扩散运动。(从P区内电子向N区运动,N区内空穴向P区运动)从而空间电荷层展宽,载流子浓度低于热平衡状态下平衡浓度。反向PN结在反偏压比较大时空间电荷区宽度(Ⅱ)式中,为自由空间电容率,介电常数,N0为PN结低掺杂边的凈杂质浓度。所以在外加反向偏压V<VB(反向击穿电压)时,电流I值很小,反向偏置PN结电流很小、表现很高电阻性。当反向偏压一旦增加到某一定值VB,则反向电流瞬间骤然急速增大(如图所示),这现象叫做PN结的击穿,VB称为击穿电压。PN结之所以在正向、反向偏置下表现出不同的电流-电压特征,主要取决于其不同的掺杂(内因),在外加偏压作用下(外因)而引起的,外加电压是通过PN结起作用的。事实上,不同PN结反向击穿可表现为热引起击穿—热击穿,电压作用引起的击穿—电击穿,以及这两种过程相互影响的热-电击穿现象。单电击穿就有雪崩击穿与隧道击穿(又称齐纳击穿)两种之分。作为整流器使用的二极管,工作电压的交流峰值务必小于击穿电压VB;否则PN结就会破坏。击穿现象虽有不利的一方面,但我们可利用击穿电压附近电流急剧变化的特性制成雪崩渡越(PIN)二极管用于光接收,隧道二极管的微波功率源以实现微波振荡。对于三极管中浅结扩散、收集结可近似看成单边突变结,其结区击穿电压大小取决于低掺杂一侧杂质浓度。二、发光二极管(LED)电流-电压特性具有PN结结构的发光二极管伏安特性同普通整流二极管相似,如图。根据外加电压的大小与流过PN结电流及其对发光性能的影响,I-V关系曲线可分成四个区。正向死区当外偏压小于开通电压VF,克服不同PN结附近因浓度梯度而扩散形成的势垒电场。此时,PN结仍呈现较大电阻值、正向电流很小,故0a段称为正向死区。LED开通电压随不同材料而异,,GaAs1--,Ga1-,。正向工作区当外加偏压超过开通电压VF时,足以克服PN结空间电荷区的势垒电场,致