PN结电容电压特性讲义

pn结的特性,PN结的击穿特性,PN结的电容特性
当反向电压增大到一定值时，PN 结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN 结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示，PN 结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。

1、雪崩击穿：阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一
定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。

雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN 结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。

2、齐纳击穿：当PN 结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子—空穴对，这个过程称为场致激发。

一般击穿电压在6V 以下是齐纳击穿，在6V 以上是雪崩击穿。

3、击穿电压的温度特性：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。

6V
左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零。

4、稳压二极管：PN 结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几乎不变（近似为V(BR)，只要限制它的反向电流，PN 结就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其电路符号及伏安特性如上图所示：其主要参数有：VZ 、Izmin 、Iz 、Izmax。

PN 结电容电压特性及掺杂浓度的测量一、实验目的1. 掌握CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法；2. 熟悉C-V 特性的测量。

二、实验仪器CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz 的智能化数字的电容测试仪器，专用于测试半导体器件PN 结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电容。

面板上的发光二极管指示仪器的工作状态，用数码管组成的显示板，将被测元件的数值，小数点清晰地显示出来。

仪器有较高的分辨率，电容量是四位读数，可分辫到0.01pF，偏置电压分辨力为0.1V，漏电流分辨力为0.01uA。

该仪器采用电流电压测量方法，它用微处理器通过8 次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。

用一个相敏检波器和模数转换器顺序快速完成电压测量。

正交测量通过交换测量信号的相位来进行，而不是参考相位检测。

因而不需要精密的模拟相位转换成电压矩形波电路。

通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号，来保证正确的相位关系。

由微处理器根据已知的频率和测试信号相位，用ROM 存储器内的程序来控制测量，以及存储在RAM 中的校准数据来计算被测元件电容值。

三、实验原理C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V 测量技术。

这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。

虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角，而C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。

PN结电容为势垒电容与扩散电容之和,正向偏压时,由于正向电流较大,扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的反向饱和电流，扩散电容很小，这时势垒电容起主要作用。

所以，C－V测量加反向电压。

1.对于突变结势垒电容，N*＝为约化浓度，A为结区面积即对突变结来说，1/C2与V呈线性关系。

P N结及其特性详细介绍1.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。

此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。

这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。

由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场PN结的形成当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。

此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。

因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。

PN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散少数载流子飘移PN结的形成过程（动画）2.PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。

如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图所示。

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。

内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。

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II0e某pqv（Ⅰ）nkT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V0.5V、电流很小时（I0.1mA）,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1220V某m（Ⅱ）qN0式中，0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VVB（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。

PN结结电容
PN结：
1）在外加正向电压时，电压大小的变化，引起空间电荷区（耗尽层）宽窄的变化，即空间电荷区正负电荷多少的变化，类似于电容充放电时极板电荷的变化，这种电容效应称之为“势垒电容”，Cb。

受主原子施主原子变成带电离子的数量变化
当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，利用这一特性制成变容二极管。

2）在外加正向电压大小变化时，引起耗尽层载流子（少子）浓度及数量的变化，这种电容效应称之为“扩散电容”，Cd。

3）PN结电容Cj=Cb+Cd
结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百pF，对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在高频时才考虑结电容的作用。