pn結(jié)器件電流—電壓特性

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1、實(shí)驗(yàn)一PN結(jié)器件電流—電壓特性一、基本原理PN結(jié)是半導(dǎo)體結(jié)型器件的核心，是IC電路的最基本單元，諸多半導(dǎo)體器件都是由PN結(jié)組成的。最簡(jiǎn)單的結(jié)型器件是半導(dǎo)體二極管，根據(jù)不同場(chǎng)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(jié)型晶體管就是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的。因此深入了解與掌握PN結(jié)的基本特性，是掌握與應(yīng)用晶體管等結(jié)型器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)的最重要特性是單向?qū)щ娦?，即具有整流特性。也就是說，正向表現(xiàn)低阻性，反向?yàn)楦咦栊?。若在PN結(jié)上加上正向偏壓（P區(qū)接正電壓、N區(qū)接負(fù)電壓）則電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系，如

2、下式（Ⅰ）式中q是電子電荷，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(fù)合因子，根據(jù)實(shí)際測(cè)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(duì)于用Ⅲ-Ⅴ族寬禁帶材料制成的發(fā)光二極管而言，當(dāng)外加電壓V<0.5V、電流很小時(shí)（I<0.1mA）,則通過結(jié)內(nèi)深能級(jí)復(fù)合占主導(dǎo)地位，這時(shí)n≈2。隨著外加電壓的升高，PN結(jié)載流子注入以擴(kuò)散電流起支配作用，I就急劇上升，這時(shí)n≈1。根據(jù)實(shí)際測(cè)量I-V關(guān)系求得n值大小就可作為判斷一個(gè)結(jié)型二極管優(yōu)劣的標(biāo)志。如果PN結(jié)兩邊外加反向偏壓（P區(qū)接負(fù)壓、N區(qū)接正電壓）這時(shí)在PN結(jié)空間電荷層內(nèi)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)

3、動(dòng)。（從P區(qū)內(nèi)電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)內(nèi)空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)）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(jié)在反偏壓比較大時(shí)空間電荷區(qū)寬度（Ⅱ）式中，為自由空間電容率，介電常數(shù)，N0為PN結(jié)低摻雜邊的凈雜質(zhì)濃度。所以在外加反向偏壓V

4、是通過PN結(jié)起作用的。事實(shí)上，不同PN結(jié)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(wù)必小于擊穿電壓VB；否則PN結(jié)就會(huì)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(shí)現(xiàn)微波振蕩。對(duì)于三極管中淺結(jié)擴(kuò)散、收集結(jié)可近似看成單邊突變結(jié)，其結(jié)區(qū)擊穿電壓大小取決于低摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度。二、發(fā)光二極管（LED）電流-電壓特性具有PN結(jié)

5、結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管伏安特性同普通整流二極管相似，如圖。根據(jù)外加電壓的大小與流過PN結(jié)電流及其對(duì)發(fā)光性能的影響，I-V關(guān)系曲線可分成四個(gè)區(qū)。1）正向死區(qū)當(dāng)外偏壓小于開通電壓VF，克服不同PN結(jié)附近因濃度梯度而擴(kuò)散形成的勢(shì)壘電場(chǎng)。此時(shí)，PN結(jié)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(dāng)外加偏壓超過開通電壓VF時(shí)，足以克服PN結(jié)空間電荷區(qū)的勢(shì)壘電場(chǎng)，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)

6、注入的空穴在結(jié)區(qū)附近復(fù)合發(fā)光，這時(shí)I-V關(guān)系滿足（Ⅰ）式，伏安曲線中ab段呈現(xiàn)陡增向上。3）反向死區(qū)當(dāng)在PN結(jié)外加反偏壓，僅有少數(shù)載流子通過PN結(jié)形成反向電流，此稱為反向飽和電流。根據(jù)（Ⅰ）式，設(shè)qVF=0.026eV,則IF=-IS,如I-V曲線0c段。4）反向擊穿區(qū)當(dāng)反偏壓繼續(xù)增加，使V≥∣VB∣,則反向電流驟然增大，出現(xiàn)了上述所說PN結(jié)擊穿現(xiàn)象，該電壓對(duì)應(yīng)電流區(qū)稱為擊穿區(qū)，如圖cd段所示。三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?）掌握PN結(jié)的基本原理及其電學(xué)性能。2）了解JT-1圖示儀的工作原理及其使用方法。3）測(cè)量發(fā)光二極管與光電三極管的伏安特性，進(jìn)一步驗(yàn)證I-V曲線變化規(guī)律。四

7、、JT-1圖示儀組成1）階梯波信號(hào)源：包括階梯波發(fā)生器與放大器，通過階梯選擇開關(guān)對(duì)被測(cè)晶體管提供電流（壓）源。2）集電極掃描電源：直接采用50HZ市電經(jīng)過全波整流后的脈動(dòng)電壓源，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)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(cè)部分：由測(cè)試臺(tái)和各種控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，以進(jìn)行各種電學(xué)參數(shù)測(cè)量。5）電源部分。3五、測(cè)量1打開電源，預(yù)熱后，使示波屏上出現(xiàn)亮點(diǎn)，調(diào)整“輝度”適中，聚焦最佳。2把“極性開關(guān)”轉(zhuǎn)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