(完整版)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。

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。

（完整版）PN结的特性PN结的特性实验目的与实验仪器【实验目的】1）研究PN结正向压降随温度变化的基本规律2）学习PN结测温的原理和方法3）学习一种测量玻尔兹曼常数的方法【实验仪器】DH-PN-2型PN结正向特性综合实验仪、DH-SJ温度传感实验装置实验原理（限400字以内）1）理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足关系式：I F=I S[e qU FkT?1]。

考虑到常温下，Ktq=0.016V,则理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足近似关系式：I F=I S e qU FkT。

其中，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度，I S为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，I S=CT r e?qU g(0)kT,其中，C是与结面积、掺杂浓度有关的常数，r是常数，其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系（通常取3.4），U g(0)为0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。

2）将I S带入I F式中，两边取对数，得到：U F=U g(0)?(kq lnCI F)T?kTqlnT r=U l+U nl,其中U l=U g(0)?(kq lnCI F)T，U nl=?kTqlnT r。

这就是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，是PN结温度传感器的基本方程。

3）对于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间，根据对U nl项所引起的线性误差的分析可知，在恒流供电条件下，PN结的U F 对T的依赖关系主要取决于线性项U l，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。

U F?T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。

实验步骤1．实验系统的检查与连接“加热电流”、“风扇电流”都置“关”，插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，PN结引出线分别插入测试仪上的+V、-V、+I、-I。

2．玻尔兹曼常数k的测定a)PN结I-U关系的测量I F=I S e qU FkT式表明，PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。

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。

PN结电容分为两部分，势垒电容和扩散电容。

PN结交界处存在势垒区。

结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。

当所加的正向电压升高时，PN结变窄，空间电荷区变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电。

同理，当正向电压减小时，PN结变宽，空间电荷区变宽，结中空间电荷量增加，相当于电容充电。

加反向电压升高时，一方面会使耗尽区变宽，也相当于对电容的充电。

加反向电压减少时，就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流，使耗尽区变窄，相当于放电。

PN结电容算法与平板电容相似，只是宽度会随电压变化。

下面再看扩散电容。

PN结势垒电容主要研究的是多子，是由多子数量的变化引起电容的变化。

而扩散电容研究的是少子。

在PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少，也就可以不考虑了。

在正向偏置时，P区中的电子，N区中的空穴，会伴着远离势垒区，数量逐渐减少。

即离结近处，少子数量多，离结远处，少子的数量少，有一定的浓度梯度。

正向电压增加时，N区将有更多的电子扩散到P区，也就是P区中的少子----电子浓度、浓度梯度增加。

同理，正向电压增加时，N区中的少子---空穴的浓度、浓度梯度也要增加。

相反，正向电压降低时，少子浓度就要减少。

从而表现了电容的特性。

PN结反向偏置时电阻大，电容小，主要为势垒电容。

正向偏置时，电容大，取决于扩散电容，电阻小。

频率越高，电容效应越显著。

在集成电路中，一般利用PN结的势垒电容，即让PN结反偏，只是改变电压的大小，而不改变极性。

pn结电容与电压关系以pn结电容与电压关系为题，我们来探讨一下这个有趣而重要的物理现象。

在电子学中，pn结是一个由p型半导体和n型半导体组成的结。

当p型半导体与n型半导体相接触时，形成了一个特殊的结构，即pn 结。

在这个结构中，p型半导体中的空穴会向n型半导体中的电子区域扩散，而n型半导体中的电子会向p型半导体中的空穴区域扩散。

这种扩散现象会导致pn结的两侧形成一个电荷分布区域，称为空间电荷区域。

根据电子学的理论，当在pn结两侧施加不同的电压时，空间电荷区域的宽度会发生变化。

而这个变化又会导致pn结的电容发生变化。

因此，pn结可以作为一个电容器来使用。

在没有外加电压时，pn结的电容很小，因为空间电荷区域的宽度很窄。

但是当施加正向偏置电压时，即将正电压连接到p型半导体，将负电压连接到n型半导体时，空间电荷区域会变窄，电容也会减小。

这是因为正向偏置电压会抵消掉空间电荷区域的电荷，使其变薄。

相反，当施加反向偏置电压时，即将负电压连接到p型半导体，将正电压连接到n型半导体时，空间电荷区域会变宽，电容也会增大。

这是因为反向偏置电压会增加空间电荷区域的电荷，使其变厚。

因此，我们可以得出结论：pn结的电容与施加的电压呈反比关系。

也就是说，当电压增大时，pn结的电容减小；当电压减小时，pn 结的电容增大。

这个结论在电子电路中有着重要的应用。

例如，在放大电路中，我们常常需要改变电容的大小来调节电路的增益。

通过控制pn结两侧的电压，我们可以改变pn结的电容，从而实现对电路增益的调节。

pn结电容还可以用于存储信息。

通过控制pn结两侧的电压，我们可以改变pn结的电容大小，从而实现对信息的存储和读取。

这在数字存储器和闪存等设备中有着广泛的应用。

总结起来，pn结电容与电压呈反比关系。

当施加正向偏置电压时，电容减小；当施加反向偏置电压时，电容增大。

这个现象在电子电路和存储器中有着重要的应用，对于我们理解和应用电子学知识具有重要意义。

6.3 p-n结电容1、p-n结电容的来源势垒电容扩散电容p-n结上外加电压的变化，引起电子和空穴在势垒区的“存入”和‘取出“作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压变化而变化，和一个电容器的充放电作用相似。

称为pn结的势垒电容。

正向偏压，存入反向偏压，取出pn结扩散区的电荷数量随外加电压变化而产生的电容效应。

正向偏压时，随电压增大，p(n)区扩散区内的非平衡电子（空穴）和与其保持电中性的空穴（电子）也增加2. 突变结的势垒电容（1）、突变结势垒区中的电场、电势分布ρ(x) = -qN A(-x p<x<0)ρ(x) = qN D(0<x<x n)X D=X n+X p电中性条件要求：qN A x p= qN D x n=Q泊松方程：d2V/dx2= -ρ/εε0将上式积分一次，得：考虑边界条件：因为势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区确定C1=C2=qN A x p/εε0=qN D x n/ εε0势垒区的电场为：可见，在x=0处，电场达到最大：N A >>N D N D >>N A x n >>x px p >>x p再次积分，得到到势垒区中各点的电势为：考虑边界条件：V(-x p )=0 V(x n )=V D得到：以上就是势垒区的电场、电势分布D p n1、单边突变结的接触电势差随低掺杂一边的杂质浓度的增加而升高；2、单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的增大而下降，势垒区几乎全部在轻掺杂一侧；3、几点结论：4、N B 是轻掺杂一侧的杂质浓度可以用来估算单边突变结在平衡时的势垒宽度三角形面积当p-n结上有外加偏压V时，可推导出：（p+n结)（pn+结)•突变结的势垒宽度与势垒区上的总电压的平方根成正比；•当外加电压一定时，势垒宽度随pn结两边的杂质浓度的变化而变化，势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成反比；则，单位面积势垒电容：pn结势垒电容C T= AC T’, 其中A是结面积线性缓变结的势垒电容可以得到势垒区宽度：T可以得到：所以势垒电容为：1、线性缓变结的势垒电容和结面积与杂质浓度梯度的立方根成正比，4、扩散电容只适用于低频情况，扩散电容随频率的增加而减小；由于扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用；6.4p-n结击穿1、雪崩击穿；(Avalanche Breakdown)2、隧道击穿（齐纳击穿）；(Tunneling Breakdown)3、热击穿；高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生电子空穴对.电场很强倍增效应:势垒区单位时间内产生大量载流子势垒区很薄时,即使电场很强,也不能产生雪崩击穿反向偏压大,势垒越高,势垒区能带越加倾斜,n区导带底比p区价带顶高. 电子通过隧道效应可以穿过禁带.2、隧道击穿（齐纳击穿）机理：量子力学隧穿效应E c = 106V/cm ~100 V/um 重掺杂pn结：∆x负温度系数：T上升，Eg下降，∆x也下降，击穿电压BV降低隧穿几率：1、Si齐纳击穿电压；2、Si雪崩击穿电压；3、Ge齐纳击穿电压；4、Ge雪崩击穿电压；6.5 pn结隧道效应（隧道二极管）隧道二极管与量子隧穿现象相关,因为穿越器件时间非常短,故可应用于毫米波区域,包括特定的低功率微波器件,局部震荡器和锁频电路.PN结的隧道效应隧道结的电流电压特性解释：隧道二极管是利用多子隧道效应工作的：1、隧道二极管噪声较低；2、由重掺杂半导体构成，温度影响小；3、隧道效应本质上是量子跃迁过程，穿越势垒极其迅速，可以在极高频下使用；反向偏压时，p区能带相对于n区能带升高，因此p区中的价带电子可以隧穿到n区导带，产生反向隧穿电流。