PN結器件電流—電壓特性

1、實驗一 PN結器件電流電壓特性一、基本原理 PN結是半導體結型器件的核心，是IC電路的最基本單元，諸多半導體器件都是由PN結組成的。最簡單的結型器件是半導體二極管，根據(jù)不同場合的用途，使用不同摻雜及材料制備工藝制成多種二極管，如整流二極管、檢波二極管、光電二極管（發(fā)光二極管、光敏二極管）等；三極管與結型晶體管就是由兩個PN結構成的。因此深入了解與掌握PN結的基本特性，是掌握與應用晶體管等結型器件的基礎。 PN結的最重要特性是單向導電性，即具有整流特性。也就是說，正向表現(xiàn)低阻性，反向為高阻性。若在PN結上加上正向偏壓（P區(qū)接正電壓、N區(qū)接負電壓）則電流與電壓呈指數(shù)關系，如下式 （） 式中q是電子

2、電荷，K是波爾茲曼常數(shù)，T是工作溫度（K），V是外加電壓，n是復合因子，根據(jù)實際測量曲線求出。隨著電壓緩慢升高，電流從小急劇增大，按指數(shù)規(guī)律遞增。 對于用-族寬禁帶材料制成的發(fā)光二極管而言，當外加電壓V < 0.5 V、電流很小時（I < 0.1 mA）,則通過結內(nèi)深能級復合占主導地位，這時n 2。隨著外加電壓的升高，PN結載流子注入以擴散電流起支配作用，I就急劇上升，這時n 1。根據(jù)實際測量I-V關系求得n值大小就可作為判斷一個結型二極管優(yōu)劣的標志。 如果PN結兩邊外加反向偏壓（P區(qū)接負壓、N區(qū)接正電壓）這時在PN結空間電荷層內(nèi)載流子的漂移運動大于擴散運動。（從P區(qū)內(nèi)電子向N區(qū)運

3、動，N區(qū)內(nèi)空穴向P區(qū)運動）從而空間電荷層展寬，載流子濃度低于熱平衡狀態(tài)下平衡濃度。反向PN結在反偏壓比較大時空間電荷區(qū)寬度 （） 式中，為自由空間電容率，介電常數(shù)，N0為PN結低摻雜邊的凈雜質濃度。所以在外加反向偏壓V < VB（反向擊穿電壓）時，電流I值很小，反向偏置PN結電流很小、表現(xiàn)很高電阻性。 當反向偏壓一旦增加到某一定值VB ，則反向電流瞬間驟然急速增大（如圖所示），這現(xiàn)象叫做PN結的擊穿，VB稱為擊穿電壓。 PN結之所以在正向、反向偏置下表現(xiàn)出不同的電流-電壓特征，主要取決于其不同的摻雜（內(nèi)因），在外加偏壓作用下（外因）而引起的，外加電壓是通過PN結起作用的。事實上，不同PN

4、結反向擊穿可表現(xiàn)為熱引起擊穿 熱擊穿，電壓作用引起的擊穿 電擊穿，以及這兩種過程相互影響的熱 - 電擊穿現(xiàn)象。單電擊穿就有雪崩擊穿與隧道擊穿（又稱齊納擊穿）兩種之分。作為整流器使用的二極管，工作電壓的交流峰值務必小于擊穿電壓VB ；否則PN結就會破壞。擊穿現(xiàn)象雖有不利的一方面，但我們可利用擊穿電壓附近電流急劇變化的特性制成雪崩渡越（PIN）二極管用于光接收，隧道二極管的微波功率源以實現(xiàn)微波振蕩。對于三極管中淺結擴散、收集結可近似看成單邊突變結，其結區(qū)擊穿電壓大小取決于低摻雜一側雜質濃度。 二、發(fā)光二極管（LED）電流- 電壓特性 具有PN結結構的發(fā)光二極管伏安特性同普通整流二極管相似，如圖。

5、根據(jù)外加電壓的大小與流過PN結電流及其對發(fā)光性能的影響，I-V關系曲線可分成四個區(qū)。1） 正向死區(qū) 當外偏壓小于開通電壓VF ，克服不同PN結附近因濃度梯度而擴散形成的勢壘電場。 此時，PN結仍呈現(xiàn)較大電阻值、正向電流很小，故0a段稱為正向死區(qū)。LED開通電壓隨不同材料而異，GaAs的LED為1.0V, GaAs1-xPx為1.5-1.8V, Ga1-xAlxAs為2.0V,GaP為2.2V 左右 。 2） 正向工作區(qū) 當外加偏壓超過開通電壓VF時，足以克服PN結空間電荷區(qū)的勢壘電場，致使正向電流迅速增大，從而使從N區(qū)注入的電子與從P區(qū)注入的空穴在結區(qū)附近復合發(fā)光，這時I-V關系滿足（）式，伏

6、安曲線中a b段呈現(xiàn)陡增向上。3） 反向死區(qū)當在PN結外加反偏壓，僅有少數(shù)載流子通過PN結形成反向電流，此稱為反向飽和電流。根據(jù)（）式，設 qVF = 0.026eV,則IF = -IS ,如I-V曲線0c段。4） 反向擊穿區(qū) 當反偏壓繼續(xù)增加，使VVB,則反向電流驟然增大，出現(xiàn)了上述所說PN結擊穿現(xiàn)象，該電壓對應電流區(qū)稱為擊穿區(qū)，如圖cd段所示。三、實驗目的要求1） 掌握PN結的基本原理及其電學性能。2） 了解JT-1圖示儀的工作原理及其使用方法。3） 測量發(fā)光二極管與光電三極管的伏安特性，進一步驗證I-V曲線變化規(guī)律。四、JT-1圖示儀 組成 1） 階梯波信號源： 包括階梯波發(fā)生器與放大器

7、，通過階梯選擇開關對被測晶體管提供電流（壓）源。 2） 集電極掃描電源：直接采用50 HZ市電經(jīng)過全波整流后的脈動電壓源，通過轉換開關供給集電極掃描電壓。 3） 顯示部分：陰極射線示波管包括X、Y軸放大器及其控制電路。4） 被測部分：由測試臺和各種控制轉換開關，以進行各種電學參數(shù)測量。5） 電源部分。 五、測量1 打開電源，預熱后，使示波屏上出現(xiàn)亮點，調(diào)整“輝度”適中，聚焦最佳。2 把“極性開關”轉向“+”向。3 “峰值電壓”范圍選擇0-20V。4 串聯(lián)電阻調(diào)至1K，功耗限制電阻500。5 “Y軸作用”調(diào)至1（mA/度）。6 “X軸作用”為1伏/度。7 把發(fā)光二極管，插入“測試選擇”中CE孔。 8 慢慢旋轉“峰值電壓”使屏幕上出現(xiàn)正向曲線。 9 測反向I-V曲線時，把極性轉向“-” ，Y軸置于0.1，