第六章 pn结二极管：I-V特性

二极管基础知识---PN结工作原理展开全文晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结。

在二者的交界处出现电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。

半导体中的离子不能随意移动，因此不参与导电。

这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。

当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于动态平衡状态。

正向偏置当外界有正向电压偏置时，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反,这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。

在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流。

当外加电压达到某一个数值后，再稍有变化，便能引起电流的显著变化，电流是随外加电压增加急速上升的。

这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。

反向偏置当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定，漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。

由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很小，所以IR是很微弱的，通常被称为反向饱和电流。

此时的PN结可以看作是一个很大的电阻。

PN结的伏安特性表达式肖特基方程的表达式式中ID——通过PN结的电流VD——PN结两端的外加电压VT——温度的电压当量，VT= KT/q = 0.026V.其中k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量。

常温下，VT ≈26mV。

Is——反向饱和电流，1.当VD>>0，且VD＞VT时， ID = Is e (VD / VT)对应右图的正向特性曲线部分2.当VD＜0，且|VD|>>VT时，ID≈-Is≈0对应右图的反向特性曲线部分从图上我们可以明显的看出PN结的单向导电性根据肖特基方程的伏安特性曲线PN结的击穿当外加的反向电压小于击穿电压VBR时，ID≈–Is 。

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。

二极管特性及参数一、二极管的特性：二极管是一种最简单的半导体器件，它具有单向导电性。

二极管由P 型半导体和N型半导体组成，P型半导体区域被称为P区，N型半导体区域被称为N区，P区和N区之间形成的结被称为PN结。

在PN结两侧形成的电场称为势垒，势垒会阻碍电流的流动，只有当正向电压施加在二极管上时，电流才能流过。

二极管的工作特性如下：1.正向工作特性：当二极管的正端连接到正电压源，负端连接到负电压源时，二极管处于正向偏置状态。

此时，PN结的势垒被削弱，电流可以流动。

二极管的正向电压(Vf)越大，通过二极管的电流(If)越大。

正向工作特性遵循指数规律，即电流与电压之间存在指数关系。

2.反向工作特性：当二极管的正端连接到负电压源，负端连接到正电压源时，二极管处于反向偏置状态。

此时，PN结的势垒会增加，电流几乎不能流动。

只有当反向电压(Vr)超过二极管的反向击穿电压时，才会发生逆向击穿，电流急剧增加。

二、二极管的参数：1.极限值参数：-峰值反向电压(VRM)：反向电压的最大值，一般用来表示二极管的耐压能力。

-峰值反向电流(IFM)：反向电流的最大值，一般用来表示二极管的耐流能力。

-正向电压降(VF)：正向工作时，PN结两侧产生的电压降。

-正向电流(IF)：通过二极管的最大电流。

2.定常态参数：- 正向阻抗(Forward resistance)：在正向工作状态下，二极管的阻抗大小。

正向阻抗与正向电流大小有关，一般用欧姆表示。

- 反向电流(Reverse current)：在反向工作状态下，二极管的电流大小。

- 反向传导电导(Reverse conductance)：在反向工作状态下，PN结的反向传导电导值，与反向电流大小有关。

3.动态参数：- 正向导通压降(Forward voltage drop)：当二极管处于正向工作状态时，二极管两端的电压降。

- 动态电电渡特性(Forward dynamic electrical characteristics)：反映在零偏电流条件下，PN结在正向电压下的电流特性关系。

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。

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。

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。