PN结器件电流—电压特性.doc

1 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???????? nkT qv II exp 0 (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? V 、电流很小时( I?0 .1 mA), 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 2 10 02???????N Vq Xm ??(Ⅱ) 式中,0?为自由空间电容率,?介电常数,N 0为 PN 结低掺杂边的凈杂质浓度。所以在外加反向偏压 V?V B (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 V B ,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, V B 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 V cⅣd ⅢⅡⅠ 0 I Fa b V F I V 图 1 PN 结 I--V 曲线 I) 正向死区, II) 工作区, III) 反向死区, IV) 击穿区。 2 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 V B; 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 P