PN结电容电压特性讲义
PN结——电容特性优秀课件
的电子电流一定；半导体流向金
－
属的电子电流因电位增加而降低，
故有半导体→金属反向电流（恒
定）。
金属半导体接触I-U特性类似于pn结的伏安特性
I
正向特性
VD
反向特性
肖特基二极管
利用金属—半导体整流接触特性制成的二极管称 为肖特基二极管。
肖特基二极管与pn二极管的比较
相同：单向导电性 不同：
1 反向电流产生机制不同： ➢肖特基二极管为多数载流子工作 ➢pn接面二极管为少数载流子工作 ➢结果：肖特基二极管的饱和电流要 大得多，起始电流也较大。
P
△U变化时，P区 积累的非平衡少 子浓度分布图
3 1
2
电子浓度
1 ΔU=0
2 ΔU<0
x 3 ΔU>0
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. ..
.
.
P
PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。
这种电容效应用扩散电容CD表征。
CD Q U
PN结正偏时，由N区扩 散到P区的电子（非平衡少 子），堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近，到远离交界 面处，形成一定的浓度梯 度分布曲线。电压增大， 正向（扩散）电流增大。
扩散电容示意图
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. . .
..
C1 L
Байду номын сангаасDC
R
+ UD –
高二物理竞赛课件PN结的伏安特性
2023/7/22
采用恒压降模型：vD 0.6V ID 1mA
rd
( diD dvD
)Q1
VT ID
26
12
雪崩击穿：掺杂浓度较低的PN结较厚，在较大的反向电压时 形成漂移电流的少子在耗尽区内获得更大的加速， 动能越来越大，足以撞击出耗尽区内原子的共价键 电子，产生自由电子和空穴，新生电子又撞击出其 他自由电子，反向电流剧增。 雪崩击穿电压较高（>6V)。
2023/7/22
8
1.2.2.2 伏安特性
伏安特性指流过PN结的电流与两端电压之间 的关系式或曲线。
PN结的电流方程来表示：
iD
Is (exp
vD VT
1)
式中：iD 表示流过PN结的电流； vD 表示PN结的电压，正向偏置为正； Is 表示反向饱和电流（硅：10-9～10-15 A）。
2023/7/22
9
伏安特性曲线：
I
死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V。
导通压降: 硅管0.6~0.8V, 锗管0.2~。
PN结的伏安特性
PN结的伏安特性
单Байду номын сангаас导电性 概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。
2023/7/22
2
P型半导体区
N型半导体区
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
问题：反偏时，多子浓度如何变化？
PN 结结反宽向如偏置何：变化？
变厚
_ P
－+ －+ －+ －+
模电课件04第一章PN结电容
整流器广泛应用于各种电子设备 和电源供应系统中，如电源适配
器、充电器等。
放大器的运用
放大器是利用PN结的放大效应来实现信号放大的电子元件。
在放大器中，PN结电容的作用是控制信号的放大倍数和频率响应，从而 实现信号的放大。
放大器广泛应用于各种电子设备和系统中，如音频放大器、射频放大器 等。
PN结电容的物理意义
PN结电容反映了PN结两端电压与结 区内电荷分布之间的关系。
它对于理解半导体器件的工作原理、 分析电路性能以及设计新型器件具有 重要的意义。
PN结电容的特性
PN结电容具有非线性特性，即 在不同偏置电压下，PN结电容
的数值会发生变化。
PN结电容与温度密切相关，温 度的变化会影响PN结电容的大
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随着电子技术的不断发展，PN结电 容的应用范围越来越广泛，对其性能 的要求也越来越高。
为了满足不断增长的性能需求，PN 结电容的研究和开发也在不断深入， 新型材料和制备工艺不断涌现。
未来，随着电子器件的小型化和集成 化，PN结电容的发展将更加注重微 型化、高精度和高稳定性等方面，以 满足不断变化的市场需求。同时，随 着人工智能和物联网等新兴技术的快 速发展，PN结电容的应用领域也将 得到进一步拓展。
电荷存储与PN结电容
电荷在PN结空间电荷区中的存储形成 了PN结电容。
PN结电容的大小与空间电荷区的宽度 和掺杂浓度有关。
当外加电压施加在PN结两端时，自建 电场和外加电场的共同作用使得空间 电荷区中的电荷发生移动，导致电容 的充放电。
影响PN结电容的因素
01
02
03
掺杂浓度
pn结的特性,PN结的击穿特性,PN结的电容特性
pn结的特性,PN结的击穿特性,PN结的电容特性
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。
【高中物理】优质课件：p-n结电流电压特性
PN结的势垒电容 (Barrier capacitance） ——电容效应发生在势垒区。
-
+
-
+
反向偏压增加
外加反向偏压减小
充 结上压降增大
放 结上压降下降
电 空间电荷区宽度增大 电 空间电荷区宽度的减小
空间电荷区电荷量增加
空间电荷量减少
PN结电容只在外加电压变化时才起作用——交流影响
高中物理
p-n结电流电压特性
p-n结电流电压特性
影响p-n结J-V关系的因素
p-n结电流电压特性
影响p-n结J-V关系的因素
结电流电压特性
p-n结电流电压特性
影响p-n结J-V关系的因素
一个PN结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压 频率增高时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。 原因是PN结具有电容特性
净施主浓度
净受主浓度 电中性，空间电荷区中正负电荷相等 q NDXNA = q NAXPA
非对称空间电荷区
N
P
宽度与它们的杂质浓度成反比;
XN NA XP ND
空间电荷区
电场强度（等于通过单位横 截面积的电力线数目）在空 间电荷区内各处是不相同的;
平衡时最大场强为
边界
交界面
边界
(交界面上)
EM
qND X N A
S0 A
qND X N
S0
1 EM
1
真空中每库仑电荷发出的电力线数目为：
qN A X P
S0
半导体的电容率
0
由于材料本身的极化作用，使电场强度减弱为真空情况的
s
在P区
(完整版)PN结电容电压特性讲义
PN 结电容电压特性及掺杂浓度的测量一、实验目的1. 掌握CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法；2. 熟悉C-V 特性的测量。
二、实验仪器CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz 的智能化数字的电容测试仪器，专用于测试半导体器件PN 结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电容。
面板上的发光二极管指示仪器的工作状态，用数码管组成的显示板，将被测元件的数值，小数点清晰地显示出来。
仪器有较高的分辨率，电容量是四位读数，可分辫到0.01pF，偏置电压分辨力为0.1V，漏电流分辨力为0.01uA。
该仪器采用电流电压测量方法，它用微处理器通过8 次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。
用一个相敏检波器和模数转换器顺序快速完成电压测量。
正交测量通过交换测量信号的相位来进行，而不是参考相位检测。
因而不需要精密的模拟相位转换成电压矩形波电路。
通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号，来保证正确的相位关系。
由微处理器根据已知的频率和测试信号相位，用ROM 存储器内的程序来控制测量，以及存储在RAM 中的校准数据来计算被测元件电容值。
三、实验原理C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V 测量技术。
这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。
虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角，而C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。
PN结电容为势垒电容与扩散电容之和,正向偏压时,由于正向电流较大,扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的反向饱和电流，扩散电容很小，这时势垒电容起主要作用。
所以，C－V测量加反向电压。
1.对于突变结势垒电容，N*＝为约化浓度，A为结区面积即对突变结来说，1/C2与V呈线性关系。
PN结的形成及特性(“电压”相关文档)共10张
反之称为加反向电压，简称反偏。 由杂质离子形成空间电荷区
因浓度差 VT ——温度的电压当量
当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这 个电流也称为反向饱和电流。
势垒电容示意图
• 高电阻
• 很小的反向漂移电流
iD/mmA 1.0
0.5 iD=– IS
–– 1.0
–– 0 . 5
0
0.5
1.0 DD/VV
PN结的伏安特性
PN结加反向电压时的导电情况
PN结的单向导电性
(3) PN结V- I 特性表达式
iDIS(evD/VT1)
其中 IS ——反向饱和电流
VT ——温度的电压当量
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
在一PN定结的的温度单条向件导下电，性由本征激发决定的
少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 当恒外定加的电，压基使本P上N结与中所P加区的反电向位电高压于的N大区小的无电关位，，称为加 正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 这个电流也称为反向饱和电流。 (2) PN结加反向电压时
iD/mmA 1.0
0.5 iD=– IS
–– 1.0
–– 0 . 5
0
0.5
且在常温下（T=300K）
VT
kT0.026V26mV q
PN结的伏安特性
1.0 DD/VV
PN结的反向击穿
当PN结的反向电压
增加到一定数值时，反向
iD
PN结及其特性详细介绍
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。
PN结器件电流—电压特性
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II0e某pqv（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V0.5V、电流很小时（I0.1mA）,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1220V某m（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VVB（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。
(完整版)PN结结电容
PN结结电容
PN结：
1）在外加正向电压时，电压大小的变化，引起空间电荷区（耗尽层）宽窄的变化，即空间电荷区正负电荷多少的变化，类似于电容充放电时极板电荷的变化，这种电容效应称之为“势垒电容”，Cb。
受主原子施主原子变成带电离子的数量变化
当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，利用这一特性制成变容二极管。
2）在外加正向电压大小变化时，引起耗尽层载流子（少子）浓度及数量的变化，这种电容效应称之为“扩散电容”，Cd。
3）PN结电容Cj=Cb+Cd
结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百pF，对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在高频时才考虑结电容的作用。
pn结电容与电压关系
pn结电容与电压关系以pn结电容与电压关系为题，我们来探讨一下这个有趣而重要的物理现象。
在电子学中，pn结是一个由p型半导体和n型半导体组成的结。
当p型半导体与n型半导体相接触时，形成了一个特殊的结构，即pn 结。
在这个结构中，p型半导体中的空穴会向n型半导体中的电子区域扩散，而n型半导体中的电子会向p型半导体中的空穴区域扩散。
这种扩散现象会导致pn结的两侧形成一个电荷分布区域，称为空间电荷区域。
根据电子学的理论，当在pn结两侧施加不同的电压时，空间电荷区域的宽度会发生变化。
而这个变化又会导致pn结的电容发生变化。
因此，pn结可以作为一个电容器来使用。
在没有外加电压时，pn结的电容很小，因为空间电荷区域的宽度很窄。
但是当施加正向偏置电压时，即将正电压连接到p型半导体，将负电压连接到n型半导体时，空间电荷区域会变窄，电容也会减小。
这是因为正向偏置电压会抵消掉空间电荷区域的电荷，使其变薄。
相反，当施加反向偏置电压时，即将负电压连接到p型半导体，将正电压连接到n型半导体时，空间电荷区域会变宽，电容也会增大。
这是因为反向偏置电压会增加空间电荷区域的电荷，使其变厚。
因此，我们可以得出结论：pn结的电容与施加的电压呈反比关系。
也就是说，当电压增大时，pn结的电容减小；当电压减小时，pn 结的电容增大。
这个结论在电子电路中有着重要的应用。
例如，在放大电路中，我们常常需要改变电容的大小来调节电路的增益。
通过控制pn结两侧的电压，我们可以改变pn结的电容，从而实现对电路增益的调节。
pn结电容还可以用于存储信息。
通过控制pn结两侧的电压，我们可以改变pn结的电容大小，从而实现对信息的存储和读取。
这在数字存储器和闪存等设备中有着广泛的应用。
总结起来，pn结电容与电压呈反比关系。
当施加正向偏置电压时，电容减小；当施加反向偏置电压时，电容增大。
这个现象在电子电路和存储器中有着重要的应用，对于我们理解和应用电子学知识具有重要意义。
半导体 p-n结电容
6.3 p-n结电容1、p-n结电容的来源势垒电容扩散电容p-n结上外加电压的变化，引起电子和空穴在势垒区的“存入”和‘取出“作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压变化而变化，和一个电容器的充放电作用相似。
称为pn结的势垒电容。
正向偏压，存入反向偏压，取出pn结扩散区的电荷数量随外加电压变化而产生的电容效应。
正向偏压时，随电压增大，p(n)区扩散区内的非平衡电子（空穴）和与其保持电中性的空穴（电子）也增加2. 突变结的势垒电容（1）、突变结势垒区中的电场、电势分布ρ(x) = -qN A(-x p<x<0)ρ(x) = qN D(0<x<x n)X D=X n+X p电中性条件要求：qN A x p= qN D x n=Q泊松方程：d2V/dx2= -ρ/εε0将上式积分一次，得：考虑边界条件：因为势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区确定C1=C2=qN A x p/εε0=qN D x n/ εε0势垒区的电场为：可见，在x=0处，电场达到最大：N A >>N D N D >>N A x n >>x px p >>x p再次积分，得到到势垒区中各点的电势为：考虑边界条件：V(-x p )=0 V(x n )=V D得到：以上就是势垒区的电场、电势分布D p n1、单边突变结的接触电势差随低掺杂一边的杂质浓度的增加而升高；2、单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的增大而下降，势垒区几乎全部在轻掺杂一侧；3、几点结论：4、N B 是轻掺杂一侧的杂质浓度可以用来估算单边突变结在平衡时的势垒宽度三角形面积当p-n结上有外加偏压V时，可推导出：（p+n结)（pn+结)•突变结的势垒宽度与势垒区上的总电压的平方根成正比；•当外加电压一定时，势垒宽度随pn结两边的杂质浓度的变化而变化，势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成反比；则，单位面积势垒电容：pn结势垒电容C T= AC T’, 其中A是结面积线性缓变结的势垒电容可以得到势垒区宽度：T可以得到：所以势垒电容为：1、线性缓变结的势垒电容和结面积与杂质浓度梯度的立方根成正比，4、扩散电容只适用于低频情况，扩散电容随频率的增加而减小；由于扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用；6.4p-n结击穿1、雪崩击穿；(Avalanche Breakdown)2、隧道击穿（齐纳击穿）；(Tunneling Breakdown)3、热击穿；高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生电子空穴对.电场很强倍增效应:势垒区单位时间内产生大量载流子势垒区很薄时,即使电场很强,也不能产生雪崩击穿反向偏压大,势垒越高,势垒区能带越加倾斜,n区导带底比p区价带顶高. 电子通过隧道效应可以穿过禁带.2、隧道击穿（齐纳击穿）机理：量子力学隧穿效应E c = 106V/cm ~100 V/um 重掺杂pn结：∆x负温度系数：T上升，Eg下降，∆x也下降，击穿电压BV降低隧穿几率：1、Si齐纳击穿电压；2、Si雪崩击穿电压；3、Ge齐纳击穿电压；4、Ge雪崩击穿电压；6.5 pn结隧道效应（隧道二极管）隧道二极管与量子隧穿现象相关,因为穿越器件时间非常短,故可应用于毫米波区域,包括特定的低功率微波器件,局部震荡器和锁频电路.PN结的隧道效应隧道结的电流电压特性解释：隧道二极管是利用多子隧道效应工作的：1、隧道二极管噪声较低；2、由重掺杂半导体构成，温度影响小；3、隧道效应本质上是量子跃迁过程，穿越势垒极其迅速，可以在极高频下使用；反向偏压时，p区能带相对于n区能带升高，因此p区中的价带电子可以隧穿到n区导带，产生反向隧穿电流。
(完整版)PN结结电容
PN结结电容
PN结：
1）在外加正向电压时，电压大小的变化，引起空间电荷区（耗尽层）宽窄的变化，即空间电荷区正负电荷多少的变化，类似于电容充放电时极板电荷的变化，这种电容效应称之为“势垒电容”，Cb。
受主原子施主原子变成带电离子的数量变化
当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，利用这一特性制成变容二极管。
2）在外加正向电压大小变化时，引起耗尽层载流子（少子）浓度及数量的变化，这种电容效应称之为“扩散电容”，Cd。
3）PN结电容Cj=Cb+Cd
结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百pF，对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在高频时才考虑结电容的作用。
p-n_结电流电压特性
3、p-n结电容 • 势垒电容、扩散电容 4、p-n结击穿
5、p-n结隧道效应
第*4页
2010年12月9日星期四
10、（1）写出理想PN结的I-V特性，即电流密 度J与电压V的关系方程。分别在直角线性坐标 系和半对数坐标系中，示意画出PN结电流－ 电压特性曲线。 • (2) 在半对数坐标系中的曲线上，如何将正向 小电压下势垒区复合电流和反向电压下势垒区 产生电流产生的作用反映在曲线上？简单解释 之。 • (3）如果PN结电流中，同时考虑扩散电流和复 合电流时，即采用理想因子m，写出含有理想 因子m的J-V特性方程，并描述一种测量m的实 验方法。 • (4) 分别分析PN结加正向偏置和反向偏置，对 PN结边界处少子浓度的改变，以此论述，PN 结具有正向导通和反向饱和特性。 （2008） （32分）
第*8页
2010年12月9日星期四
•
14、写出理想PN结的J-V特性关系公式（肖 克莱方程）。并在半对数坐标下（X轴为V， Y轴为ln（J/J0），定性画出该曲线。若此PN 结为实际的PN结，应做哪些改动？为什么？ （2006）
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2010年12月9日星期四
§ 6.1 热平衡条件下的p-n结 1 、热平衡条件下的p-n结 • 1） p-n结定义及形成
由突变平衡p-n结的能带图，势垒高度qVD补 偿了p区与n区的费米能级之差
F
k 0T d (ln n )] q dx E i) k 0T
F
Jn dE F dE F Jn n n , dx dx n n 同理，空穴电流密度 Jp p
p
d 1 dE (ln n ) ( dx k 0 T dx
dE i ) dx
Jp dE F dE F , dx dx p p J n , J p 均为零
pn结电容
pn结电容一、概述pn结电容是一种基本的半导体器件，它由p型半导体和n型半导体构成，中间隔着一个pn结。
当在pn结两侧施加不同的电压时，会形成一个电场，从而使得pn结两侧的载流子发生漂移运动，进而改变pn 结的电容。
因此，pn结电容可以用来制作各种类型的电路和器件。
二、工作原理1. pn结介质层在没有外加电压时，p型区域和n型区域之间存在着一个正向偏置的内建势垒。
这个内建势垒是由于p型区域中多余的空穴与n型区域中多余的自由电子在边界处发生复合而产生的。
这个势垒形成了一个具有一定宽度的空间电荷区域（也称为pn结介质层），其中几乎没有可自由移动的载流子。
2. 反向偏置当对pn结施加反向偏置时，外加电场方向与内建势垒相反。
这样就会使得空间电荷区域变宽，并且减小内建势垒高度。
这样就使得载流子能够穿过空间电荷区域，形成反向电流。
此时，pn结的电容就会随着反向偏置电压的增大而减小。
3. 正向偏置当对pn结施加正向偏置时，外加电场方向与内建势垒相同。
这样就会使得空间电荷区域变窄，并且增加内建势垒高度。
这样就使得载流子不能够穿过空间电荷区域，形成正向电流。
此时，pn结的电容就会随着正向偏置电压的增大而减小。
三、制备方法1. 扩散法将p型半导体和n型半导体放在一起，在高温下进行扩散处理，使p 型半导体中掺杂有n型杂质，n型半导体中掺杂有p型杂质。
这样就可以在两个不同类型的半导体之间形成一个pn结。
2. 气相沉积法将p型半导体和n型半导体放在一起，在高温下通过化学气相沉积的方式制备出来。
四、应用领域1. 通信领域：用于制作振荡器、滤波器等无线通信器件。
2. 信号处理领域：用于制作模拟电路、数字电路等各种类型的电路。
3. 传感器领域：用于制作温度传感器、气体传感器等各种类型的传感器。
4. 光电子学领域：用于制作光控开关、光控放大器等光电子学器件。
五、总结pn结电容是一种基本的半导体器件，它可以通过施加不同的电压来改变其电容值。
PN结的形成与特性介绍
PN结的定义：在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。
ＰＮ结的形成（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。
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。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结，如图1所示。
（2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。
（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场，如图2所示。
（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。
（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。
ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
ＰＮ结的单向导电性PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
（1）外加正向电压（正偏）当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。
由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。
PN结的伏安特性与电容击穿
P+区
势垒区
EC
EV
反向偏压升高
P区价带顶高于 N区导带底
P区价带电子按一定几率 穿透势垒到达N区导带
形成电子空穴对
隧道效应
主要发生于高掺杂PN结中（P+N+结） 非破坏性可逆击穿
[势垒区宽度较小时]
隧道击穿电压较低 如 Si-PN 结 VB < 4.5 V 雪崩击穿电压较高 如 Si-PN 结 VB > 6.7 V
P
N
空间电荷区
内建电场
P
N
x
p
x
n
位
电
q
电子的电势能
带
能
qVD
EC
EV
EFΒιβλιοθήκη Ei带能EC
EV
EFN
Ei
EFP
1.1 PN结空间电荷区
*
非平衡PN结 处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结 当PN结两端加正向偏压VF，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向PN结。
P
N
－ ＋ － ＋ － ＋
正向PN结
＋
－
P
N
－－ ＋＋ －－ ＋＋ －－ ＋＋
反向PN结
－
＋
反之，当PN结两端加反 向偏压VR则称反向PN结。
1.2 PN结的单向导电性
*
正向电压VF 外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱 势垒区宽度变窄 势垒高度变低 qVD ↓ q(VD－VF) 破坏扩散与漂移运动间的平衡 扩散运动 强于 漂移运动 形成较大的电流， 正向偏压给PN结形成了低阻的电流通路
PN结伏安特性
*
平衡PN结：指半导体在零偏压条件下的PN结。 PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加 电压、光照、磁场、辐射等外作用平衡 状态。
pn结电容与电压关系
pn结电容与电压关系PN结电容是指在PN结中存在的电容。
PN结是半导体器件中常见的结构，由n型半导体和p型半导体组成。
当n型半导体和p型半导体相接触时，形成了PN结。
在PN结中，当没有外加电压时，由于n型半导体和p型半导体之间存在浓度差，会形成内建电场。
这个内建电场使得PN结两侧形成了电势差，即电压。
此时，PN结处于正向偏置状态。
当外加电压为正向时，即正向偏置状态下，外加电压与内建电场方向相同，会抑制内建电场，使得PN结处于导通状态。
在这种状态下，PN结电容的作用较小。
当外加电压为反向时，即反向偏置状态下，外加电压与内建电场方向相反，会增强内建电场，使得PN结处于截止状态。
在这种状态下，PN结电容的作用较大。
具体来说，当PN结处于正向偏置状态时，PN结电容主要由空间电荷区的扩展形成。
空间电荷区是PN结两侧由于不同杂质浓度而形成的区域，其中不同的电荷会形成电场。
由于正向偏置状态下内建电场较小，空间电荷区较窄，因此PN结电容较小。
当PN结处于反向偏置状态时，PN结电容主要由耗尽层电容和扩展层电容组成。
耗尽层电容是指PN结两侧由于不同杂质浓度而形成的区域，其中的离子使得区域内电荷分布不均匀，形成电场。
扩展层电容是指PN结两侧的空间电荷区在反向偏置下扩展，形成一个更大的区域，其中的电荷形成电场。
由于反向偏置状态下内建电场较大，空间电荷区较宽，因此PN结电容较大。
通过控制PN结电容的大小，可以实现对电路的调节和控制。
例如，在电路中可以利用PN结电容来实现滤波和调谐的功能。
此外，PN 结电容还可以用于存储电荷和能量，广泛应用于电子器件中。
PN结电容与电压之间存在着密切的关系。
在正向偏置状态下，PN 结电容较小；在反向偏置状态下，PN结电容较大。
通过对PN结电容的控制，可以实现对电路的调节和控制，具有重要的应用价值。
pn结 电容效应
pn结电容效应PN结电容效应是指在PN结中，由于P区和N区的载流子浓度不均匀分布，形成了电场，从而导致两侧形成电势差，表现为电容效应。
本文将从PN结的结构、电势差的形成以及电容效应的应用等方面进行阐述。
一、PN结的结构PN结是由P型半导体和N型半导体直接相接形成的结构。
P型半导体中主要存在正电荷载流子即空穴，N型半导体中主要存在负电荷载流子即电子。
当P型和N型半导体相连接时，形成了PN结。
二、电势差的形成在PN结中，由于P区和N区的载流子浓度不同，形成了电势差。
在PN结的正向偏置情况下，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P 区扩散，导致P区带正电荷，N区带负电荷。
这种电荷分布不均匀形成了内建电场，使得PN结两侧形成电势差。
三、电容效应的应用1. PN结电容器：由于PN结具有电容效应，因此可以将PN结应用于电容器的制作。
PN结电容器的电容值可以通过控制PN结的面积、厚度以及掺杂浓度来调节。
2. PN结二极管：PN结二极管是一种常见的半导体器件，它利用PN 结的整流特性，将交流信号转换为直流信号。
在PN结的正向偏置情况下，由于电势差的存在，只有当正向电压足够大时，电子才能克服内建电场的阻力，从N区跨越PN结进入P区，形成电流。
3. 光电二极管：光电二极管是一种利用PN结电容效应的光电转换器件。
当光照射到PN结上时，光子的能量被电子吸收，使电子获得足够的能量跨越PN结，形成电流。
4. 可变电容器：PN结的电容值可以通过改变偏置电压来实现电容值的调节。
因此，可以将PN结应用于可变电容器的制作，用于电路调节和信号处理等领域。
PN结电容效应是由于PN结两侧电荷分布不均匀形成的电势差，从而导致的电容效应。
PN结电容效应在电容器、二极管、光电二极管以及可变电容器等方面都有着重要的应用。
通过对PN结电容效应的研究和应用，可以推动半导体器件和电路的发展，促进电子技术的进步。
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PN 结电容电压特性及掺杂浓度的测量
一、实验目的
1. 掌握CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法；
2. 熟悉C-V 特性的测量。
二、实验仪器
CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz 的智能化数字的电容测试仪器，专用于测试半导体器件PN 结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电容。
面板上的发光二极管指示仪器的工作状态，用数码管组成的显示板，将被测元件的数值，小数点清晰地显示出来。
仪器有较高的分辨率，电容量是四位读数，可分辫到0.01pF，偏置电压分辨力为0.1V，漏电流分辨力为0.01uA。
该仪器采用电流电压测量方法，它用微处理器通过8 次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。
用一个相敏检波器和模数转换器顺序快速完成电压测量。
正交测量通过交换测量信号的相位来进行，而不是参考相位检测。
因而不需要精密的模拟相位转换成电压矩形波电路。
通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号，来保证正确的相位关系。
由微处理器根据已知的频率和测试信号相位，用ROM 存储器内的程序来控制测量，以及存储在RAM 中的校准数据来计算被测元件电容值。
三、实验原理
C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V 测量技术。
这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。
虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角，而C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。
PN结电容为势垒电容与扩散电容之和,正向偏压时,由于正向电流较大,扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的反向饱和电流，扩散电容很小，这时势垒电容起主要作用。
所以，C－V测量加反向电压。
1.对于突变结
势垒电容，N*＝为约化浓度，A为结区面积
即对突变结来说，1/C2与V呈线性关系。
如图：
直线延长与V轴的交点，可求出接触电势差V D，由直线斜率可求出N*。
当PN结为单边突变
结时，约化浓度可用高浓度一侧的掺杂代替。
2.缓变结
势垒电容：，G为掺杂浓度梯度。
即对线性缓变结来说，1/C3与V呈线性关系。
由直线斜率和截距可求出杂质浓度梯度G和V D。
四、实验内容与步骤
1. 测量步骤：
（1）开机
仪器安装连接好后，把电源开关按到ON 位置，电源接通，仪器执行自检程序。
如果没
有故障，测量指示灯亮。
偏置电压指示状态为(电压去)，虽然偏置电压有显示，但该电压尚未加到夹具上去。
（2）连接被测件
被测件引线应相当清洁且笔直，将它插入CV-2000 测试座具即可。
若被测件引线脏，
必须先擦干净，以保证接触良好。
（3）零校准
由于温度变化或改变夹具，都会引起寄生电感变化，因此，在每天开机30 分钟后，改
变夹具或温度变化大于3℃时，都要完成零校准。
分两步完成：
I、开路零校准。
a．开机
b．在测量功能检查之后，应按[开路校准]按钮。
在电容显示屏内出现一个零，并且通过灯亮，让人体远离仪器。
按[校准触发]键并等一会，直到通过灯重新亮，开路校准完成。
II、短路零校准。
把随机附带的短路铜片插入测试槽按[短路校准]按钮，电容显示屏内出现一个5，并且通过灯亮，按[校准触发]键等一会直到通过灯重新亮，短路零校准完成。
完成后请将短路铜片拿开。
（4）测量
在零校准后按测量健，当测量指示灯亮即进入测量状态。
（5）偏置电压下测量电容
A.完成上面四个步骤后，把元件插入CV-2000 夹具，夹具的插槽电压极性为：左边插槽为（+）极，右边插槽为（-）极。
如测试三极管集电极、基极反向电压特性，如系PNP型三极管基极插入（+）插槽，集电极插入（-）插槽，如系NPN 型三极管基极插入（-）插槽，集电极插入（+）插槽然后加不同偏压即可得出不同偏压下的电容值。
如测试二极管，则二极管的“+”极插入（-）插槽，“-”极插入（+）插槽，即可得出不同偏压下的电容值。
B.粗调电位器“W1”及微调电位器“W2”的使用：
W2 的调节范围是0-V0(V0 在20V 以下，不同机器有些许差别)，可精确调节每0.1V。
当测试元件反向耐压在V0 以下，可将W1 左旋至尽，单独调节W2 即可。
当测试元件反向耐压在100V 以下，则需W1、W2 配合使用，请按以下步骤进行操作：
首先测量20V 以下电容值：将W1 左旋至尽，单独调节W2 同时记录电容值，当W2右旋到头时记下电压V1。
完成后再将W2 左旋至尽，然后慢慢右旋W1 使偏压电压值显示为V1，然后慢慢调节W2，并记录电容值，当W2 右旋至尽时记下电压V2。
完成后再将W2 左旋至尽，然后右旋W1 使偏置电压显示为V2，然后慢慢调节W2，重复步骤2 即可得出100V 以内的偏置电压下的电容值。
测量二极管型号：IN4007.为线性缓变结二极管。
表1 数据记录表
1、什么是PN 结的电容效应？它有哪些应用？
注意事项
1、加偏置电压时，请不要用手触摸电极，以防触电
2、为保护下次测量的器件关机前请分别将W1、W2 左旋至尽，使偏置电压显示为0V。
3、测量时，偏置电压刚好达到时读数，即刚刚显示变为目标值时，读电容值。