半导体物理pn结电容..

pn结实验报告

引言：

PN结是半导体器件中最基本的元件之一，具有非常重要的应用价值。本实验通过构建PN结实验电路，对PN结的基本性质和特点进行了研究和测量。本实验旨在加深对PN结原理的理解和掌握实验技巧，为日后的电子器件研究和应用打下基础。

实验目的：

1. 掌握PN结的基本原理，理解其电学特性。

2. 利用实验测量方法，对PN结的伏安特性进行测量和分析。

3. 通过实验数据，验证PN结的基本性质和特点。

实验仪器：

1. PN结实验台（包括电源、电压表和电流表等）

2. 万用表

3. 外接电容器

4. 直流电压源

5. 示波器

实验步骤：

1. 将PN结放置在实验台上，并按照电路图连接电源、电压表和电流表等。

2. 打开电源，调节电压源的输出电压，记录下伏安特性曲线的数据。

3. 将外接电容器连接在PN结两端，测量并记录当外加反向电压不同时PN结的电容。

实验结果与分析：

通过实验测量得到PN结的伏安特性曲线，如图1所示。从图中可以看出，当PN结处于正向偏置时，电流随电压的升高而线性增加；而当PN结处于反向偏置时，电流基本保持在很小的值。这符合PN结的基本特性，即在正向偏置下，PN结失去正常的电阻特性，呈现出导通的状态；而在反向偏置下，PN结则具有很高的电阻，基本不导电。

在测量PN结电容时，实验得到的数据如表1所示。可见，当外加反向电压较小时，PN结的电容较大；而当外加反向电压增大时，PN结的电容逐渐减小，并趋近于一个稳定值。这是因为当反向电压较小时，电子会从N区域内部流向P区域，使得PN结变得较宽，从而增加了电容；而当反向电压增大时，电子难以穿透PN结，因此PN结的电容减小。最终，PN结的电容趋于稳定值，不再随反向电压的变化而改变。

实验结论：

通过本实验，我们可以得出以下结论：

1. PN结在正向偏置下具有导电性，而在反向偏置下具有较高的电阻性。

2. PN结的导电性能与正向偏置电压呈线性关系。

山东大学《半导体物理》期末复习知识点

第六章 pn结

6．1 理论概要与重点分析

(1)pn结是将同种半导体材料的n型和p型两部分紧密结合在一起，在交界处形成一个结，即称为pn结。为使性能优越，一般采用合金法、扩散法、外延生长法和离子注入法等，改变其掺杂性质来实现这种“紧密接触”的。pn结是重要半导体器件，如结型晶体管及其相应的集成电路的工作核心。

设两种杂质的交界面为xj，如果

杂质有一个较宽的补偿过度阶段，为缓变结，较深的扩散法一般属此种情况。

(2)由于在结的两边两种载流子相差悬殊而发生扩散。n区中的电子流入p区，在结附近留下不可以移动的电离施主；同样p区中的空穴流入n区在结的附近留下不可移动的电离受主，形成一个n区为正，p区为负的电偶极层，产生由n区指向p区的自建电场，此电场的作用是阻止载流子进一步相互扩散。或者说产生了一个与扩散相反的载流子漂移，当两者达到平衡时，载流子通过结的净流动为零，达到平衡。建立起一个稳定的空间电荷区和一个稳定的自建电场。n型的一边带正电，电动势高；p型一边带负电，电势低，所产生电动势差称为pn结接触电动势差。这个电动势差对n型区的电子和p型区的空穴各自向对方，运动都形成势垒，使整个结构在结区形成能带弯曲，其弯曲的高度称为势垒高度，它恰恰补偿了原来两边半导体中费米能级的高度差，使两边达到等高的统一费米能级。

山东大学《半导体物理》期末复习知识点

(3)pn结上加正向电压V(p型一端接正，n型一端接负)时，外加电压电场与内建电场的方向相反，使内建电场减弱，势垒区变窄，势垒高度由平衡时的q VD变

为q(VD-V)。两区的费米能级分开为EnF-EpF=qV这时由内建电场引起载流子的漂

移减弱，扩散相对增强。于是有一个净的扩散电流从p区通过结流入n区，这便是pn结的正向电流。随外加电压V的增加，势垒高度越来越小，载流子漂移越来越小，扩散进一步增加。因此随外加正向电压的增加，正向电流迅速增大。 在pn结上加反向电压(p型一端接负，n型一端接正)时，其外加电场方向与自建电场的方向相同，使势垒由平衡时的q VD增高为q(VD+V)，势垒区宽度变宽，

PN结

PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。

PN结（PN junction）

制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。

P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；

N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。

在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。

在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。

PN结的击穿特性：

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

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。