PN结器件电流—电压特性

实验一 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 I?I0?exp??qv?? （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

12?2??0V? Xm??? （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V ? VB（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。事 实上，不同PN结反向击穿可表现为热引起击 穿 — 热击穿，电压作用引起的击穿 — 电

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IbVBcIF0aVFVⅢⅣdⅠⅡ图1 PN结I--V曲线I) 正向死区，II) 工作区，III) 反向死区，IV) 击穿区。

击穿，以及这两种过程相互影响的热 - 电击

穿现象。单电击穿就有雪崩击穿与隧道击穿（又称齐纳击穿）两种之分。作为整流器使用的二极管，工作电压的交流峰值务必小于击穿电压VB ；否则PN结就会破坏。击穿现象虽有不利的一方面，但我们可利用击穿电压附近电流急剧变化的特性制成雪崩渡越（PIN）二极管用于光接收，隧道二极管的微波功率源以实现微波振荡。对于三极管中浅结扩散、收集结可近似看成单边突变结，其结区击穿电压大小取决于低掺杂一侧杂质浓度。

二、发光二极管（LED）电流- 电压特性

具有PN结结构的发光二极管伏安特性同普通整流二极管相似，如图。 根据外加电压的大小与流过PN结电流及其对发光性能的影响，I-V关系曲线可分成四个区。 1）正向死区

当外偏压小于开通电压VF ，克服不同PN结附近因浓度梯度而扩散形成的势垒电场。 此时，PN结仍呈现较大电阻值、正向电流很小，故0a段称为正向死区。LED开通电压随不同材料而异，GaAs的LED为1.0V, GaAs1-xPx为1.5-1.8V, Ga1-xAlxAs为2.0V,GaP为2.2V 左右 。

2）正向工作区

当外加偏压超过开通电压VF时，足以克服PN结空间电荷区的势垒电场，致使正向电流迅速增大，从而使从N区注入的电子与从P区注入的空穴在结区附近复合发光，这时I-V关系满足（Ⅰ）式，伏安曲线中a b段呈现陡增向上。 3）反向死区

当在PN结外加反偏压，仅有少数载流子通过PN结形成反向电流，此称为反向饱和电流。根据（Ⅰ）式，设 qVF = 0.026eV,则IF = -IS ,如I-V曲线0c段。 4）反向击穿区

当反偏压继续增加，使V≥∣VB∣,则反向电流骤然增大，出现了上述所说PN结击穿现象，该电压对应电流区称为击穿区，如图cd段所示。

三、实验目的要求

1）掌握PN结的基本原理及其电学性能。

2）了解JT-1图示仪的工作原理及其使用方法。

3） 测量发光二极管与光电三极管的伏安特性，进一步验证I-V曲线变化规律。

四、JT-1图示仪

1） 阶梯波信号源： 包括阶梯波发生器与放大器，通过阶梯选择开关对被测晶体管提供电

流（压）源。

2） 集电极扫描电源：直接采用50 HZ市电经过全波整流后的脉动电压源，通过转换开关供

给集电极扫描电压。

3） 显示部分：阴极射线示波管包括X、Y轴放大器及其控制电路。

4） 被测部分：由测试台和各种控制转换开关，以进行各种电学参数测量。 5） 电源部分。

组成

五、测量

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打开电源，预热后，使示波屏上出现亮点，调整“辉度”适中，聚焦最佳。 把“极性开关”转向“+”向。

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“峰值电压”范围选择0-20V。

串联电阻调至1K，功耗限制电阻500。 “Y轴作用”调至1（mA/度）。 “X轴作用”为1伏/度。

把发光二极管，插入“测试选择”中CE孔。 慢慢旋转“峰值电压”使屏幕上出现正向曲线。

测反向I-V曲线时，把极性转向“-” ，Y轴置于0.1，X轴置于5。测量电压缓慢增加使之出现反向L-V曲线。

六、数据处理

根据I-V曲线

正向I-V曲线 反向I-V曲线 正向I-V特性 X（V） Y(mA) 反向I-V特性 X（－V） Y(-μA) 求： VF=？ VB=？ 由此可判断该PN结好坏。

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