第六章 pn结二极管：I-V特性

发光二极管主要参数与特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。

它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

（2）正向工作区：电流I F与外加电压呈指数关系I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流。

V＞0时，V＞V F的正向工作区I F 随V F指数上升I F = I S e qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流I R（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。

（4）反向击穿区V＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R为反向漏电流。

当反向偏压一直增加使V＜- V R时，则出现I R突然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R也不同。

1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。

C-V特性呈二次函数关系（如图2）。

由1MH Z交流信号用C-V特性测试仪测得。

发光二极管主要参数与特性LED 是利用化合物材料制成pn 结的光电器件。

它具备pn 结结型器 件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

1、LED电学特性而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同， GaAs 为 1V ，红色 GaAsP 为 1.2V , GaP 为 1.8V , GaN 为 2.5V 。

(2) 正向工作区：电流I F 与外加电压呈指数关系I F = I S (e qv F/KT -) ------------------------------ 1 s 为反向饱和电流 。

V >0时，V > V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I s e qVF/KT (3) 反向死区：V v 0时pn 结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流 |R (V 二-5V )时，GaP 为 0V , GaN 为 10uA 。

(4) 反向击穿区 V v - V R , V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R 为反向漏电流。

当反向偏压一直增加使 V V - V R 时，贝y 出现I R 突 然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。

1.2 C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 9 X 9mil (250 X 250um) , 10X 10mil , 11 X 11mil (280 X 280um) , 12 X 12mil1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。

LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触 电阻，反之为高接触电阻。

如左图：⑴正向死区：(图oa 或oa'段) a 点对于V o 为开启电 压，当V v Va ,外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散V R击 反向死区 穿_---------- 区工作区VFVI-V 特性曲线C0 -C 0(300 X 300um)，故 pn 结面积大 小不一，使其结电容(零偏压) c ~n+pf 左右。

PN结二极管概述、特性、分类PN结二极管概述PN结简述1949年PN结理论发表，1950年制造PN结二极管的扩散法出现，半导体技术从此蓬勃发展，人类进入了微电子时代。

半导体材料有如下的一些特点：半导体材料的电阻率受杂质含量的多少的影响极大，如在硅中只要掺入百万分之一的杂质硼，硅的电阻率就会从214，000Ω·cm下降至0.4Ω·cm；半导体材料的电阻率受外界条件影响很大。

例如温度每升高8℃纯净硅的电阻率就会下降一半左右。

因此，半导体材料可以人为地控制电阻率取得不同的导电性能。

在纯净的半导体材料(如硅)中掺入三价原子(如硼原子、镓原子)形成P型半导体；掺入五价原子(如磷原子、砷原子)的半导体材料形成N型半导体材料。

掺入杂质的P型半导体和N型半导体的电阻率下降、导电性能增强。

P型半导体和N型半导体的导电机制分别为"空穴"和"电子"。

有了P型半导体和N型半导体，就出现了"PN"结。

通过扩散等工艺，把一块半导体材料一边做成N型半导体，一边做成P型半导体。

由于P型区的"空穴"多，N型区"电子"多，在P型区和N型区的交界处，"电子"从高浓度的N区向P区扩散，同时"空穴"从浓度高的P区向N区扩散。

在P区内，"电子"称为少数载流子，在N区内，"空穴"称为少数载流子，扩散到对方的"电子"或"空穴"称为"非平衡少数载流子"。

P型半导体体内的"空穴"成为P 型半导体的"多子"，同理，N型半导体内的"电子"称为N型半导体的"多子"。

这些非平衡少数载流子的注入，必然与对方的多子复合，在交界面附近使载流子成对的消失，并且各留下不能移动的正、负离子，构成一个空间电荷区，出现一个由N区指向P区的内建电场。

半导体专业实验补充sｉlvａc ｏ器件仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:实验2 PN结二极管特性仿真1、实验内容（1)ＰN结穿通二极管正向I-Ｖ特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。

（2）结构和参数：ＰN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂,ｎ-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度1６μｍ，p+区厚度2μm，n+区厚度２μｍ。

掺杂浓度:p+区浓度为１×１０１9cｍ-3，n+区浓度为１×１０1９cm-3,耐压层参考浓度为５×１01５cm-3。

0 Wp n n图1普通耐压层功率二极管结构２、实验要求（1)掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2）掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。

3、实验过程#启动Aｔhenａgo athenａ＃器件结构网格划分;liｎe x loc=０.0 spac＝0.４line x loc=４．0 spac= 0.4ｌiｎｅｙloc=0.0ｓpａc＝0.5ｌine y loc=2．0 spaｃ=0.1line y loc=1０spac=0.５ｌｉne y ｌoc＝18ｓpaｃ＝0.1line y loc＝20 ｓpaｃ=0.5＃初始化Si衬底;iｎｉｔsilicｏn c.phｏs=5e15 orientａｔｉon=100 two.d#沉积铝;deposit alｕm tｈick=１．1div＝10#电极设置elecｔｒｏde nａme＝ａｎode x=1eｌectrｏdｅnａme=ｃaｔhoｄe bacｋsiｄe#输出结构图structurｅoutｆ=ｃb0.strtonyplotｃｂ0.stｒ＃启动Ａtlasgo aｔlaｓ#结构描述dｏping p．ｔypｅconc=1ｅ２0 ｘ.miｎ=0.0 x.mａｘ＝4.0 y．min=０y.max＝２．0 ｕｎiｆormdopinｇｎ.tyｐe cｏnc=1e20x．min=0．0 x.ｍaｘ=4.０ｙ.min=1８y.maｘ=20.0 ｕniforｍ#选择模型和参数models cｖt srh printｍethｏd carｒｉｅrs=2ｉmpａct selb＃选择求解数值方法methoｄnewton#求解solve initｌog ｏutｆ=cb02.logsｏｌve vanoｄｅ=0.03sｏｌｖe vanodｅ=0.1vsteｐ=0．1 vfｉnal=5 ｎame=aｎode#画出IＶ特性曲线ｔｏnyplot cb02.ｌoｇ#退出ｑuit图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。

实验一 PN 结器件电流一电压特性一、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。

对于用川-V 族宽禁带材料制成的发光二极管而言，当外加电压 V 0.5 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。

第八讲8.2 异质PN结的I-V 特性及注入特性1、低势垒尖峰形异质结：势垒尖峰顶低于 p 区导带底，其能带结构如图示。

这种异质 pn 结的电流主要由扩散机制决定，用扩散模型来处理。

针对不同的异质结构，人们提出了多种异质结伏安特性的模型，下面我们以突变反型pN异质结不同的势垒峰型为例来分析。

施加一正向偏压 V 时，通过该异质结的电流密度为：p2n1n p 1020n1p20()exp()1D D qV J J J q n p L L k T ⎡⎤=+=+-⎢⎥⎣⎦式中：D n1 、L n1 分别为窄禁带半导体中电子的扩散系数和扩散长度； D p2 、L p2 分别为宽禁带半导体中空穴的扩散系数和扩散长度； n 10 和 p 20 分别为 p 型窄禁带半导体和 n 型宽禁带半导体的热平衡少子浓度。

上式表明，在正向偏压下，异质 pn 结的电流随电压按指数规律增加。

()p210D v p p200exp exp 1qD p q VE qV J L k T k T -+∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦c n 0exp E J k T ⎛⎫∆∝ ⎪⎝⎭v p 0exp E J k T ⎛⎫∆∝- ⎪⎝⎭式中的 J n 、J p 也可用 n 区、p 区多子浓度 n 20 、p 10 表示：△E c 和 △E v 都是正值，且比室温时的 k 0T 大得多，故有：通过异质结面的电流主要由电子电流构成，而空穴电流所占的比例很小。

()D c n120n n100exp exp 1q V E qD n qV J L k T k T --∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦J n >> J p从上式看到，J n 和 J p 主要由△E c 和 △E v 决定，即：一、异质结的I-V特性2、高势垒尖峰形异质结：n 区的势垒尖峰顶较 p 区导带底高得多， n 区扩散到结面处的电子，只有能量高于势垒尖峰的电子才能通过发射机制进入 p 区，可以采用热电子发射模型来处理。