7 第二章 2.3 理想PN结的直流电流-电压特性
2.3 P-N 结的直流电流-电压特性
I = I dp + I dn
= I o eV /VT 1
(
Dn V /V Dp = qA n po + pno e T 1 Ln Lp
(
)
)
（2－48）
以上就为五点假设下的理想PN结直流特性方程 （Shockley 公式） 。
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
（2－42）
由（2－42）可知，在N区，空穴电流沿远离 PN结的方向减小，根据电流连续性可知，电子电 流必须相应的增大，来补偿空穴电流的下降。也 即，少子电流通过电子－空穴对的复合不断的转换 为多子电流。
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
类似的，可得P区内的电子扩散电流为：
J dn = qD n
在结边缘 x＝－xp处，有
In xp
(
)
qADn V = n p0 e Ln
(
VT
1
)
(x ≤ x p )
I dn
(x + x p ) Ln = I n ( x p )e
（2－43）
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
忽略空间电荷区的产生电流和复合电流后，PN 结的总I 为：
∫
Wn
( ∫ = qAp L (e
∞ 0
xn
( pn pn0 )dx
pn e
p V / VT V / VT
1e
n0
) 1)
( x xn ) / L p
dx
(长PN结)
= qApn 0 L p
(V = VR )
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
PN结的整流作用二极管电压与电流的关系
PN结的整流作用二极管电压与电流的关系PN结二极管是一种常见的半导体器件，具有整流作用。
在本文中，我将探讨PN结二极管的电压和电流之间的关系。
1. 引言PN结二极管是一种由P型半导体和N型半导体连接而成的器件。
它具有一个P型区域和一个N型区域，两个区域之间形成一个PN结。
当将正向电压施加在PN结上时，PN结二极管表现出低电阻状态，电流可以通过。
而当反向电压施加在PN结上时，PN结二极管表现出高电阻状态，电流无法通过。
这种特性使得PN结二极管可以用来实现整流效果。
2. PN结二极管的工作原理PN结二极管的整流作用基于PN结的电压与电流之间的关系。
当外加正向电压时，即将正极连接到P型区域，负极连接到N型区域，PN结处形成正向偏置。
此时，P区的空穴和N区的电子会向PN结扩散，并在PN结处形成耗尽层。
当正向电压足够大时，耗尽层会变窄，电流可以通过PN结，实现整流效果。
3. 电压与电流的关系PN结二极管的电压与电流之间存在一定的关系。
在正向偏置下，当外加正向电压增加时，PN结二极管的电流也会增加。
具体而言，当正向电压低于二极管的正向开启电压（正向压降），二极管处于关断状态，电流几乎为零。
然而，当正向电压高于正向开启电压时，二极管开始导通，电流迅速增加。
在反向偏置下，当施加反向电压时，PN结二极管的电流会非常小，接近于零。
这是因为反向电压会加大PN结中的耗尽层宽度，使得电流难以通过。
只有当反向电压增加到一定程度，达到二极管的击穿电压时，电流才会急剧增加。
4. 理想情况下的电压与电流关系理想情况下，PN结二极管的电压和电流之间存在一定的关系。
在正向偏置下，电流与电压之间呈指数增长的关系。
即随着正向电压的增加，二极管的电流呈指数增加。
而在反向偏置下，尽管电流很小，但随着反向电压的增加，电流也会缓慢地增加，直到达到击穿电压时急剧增加。
然而，实际的PN结二极管存在一些非理想因素，如串联电阻、非零的开启电压和电流饱和效应等，这些因素会对电流与电压的关系产生影响。
pn结电流电压偏离理想
pn结电流电压偏离理想【实用版】目录1.PN 结的基本概念2.PN 结的理想电流电压特性3.PN 结电流电压偏离理想的原因4.PN 结电流电压偏离理想的影响5.结论正文1.PN 结的基本概念PN 结是半导体材料中，P 型半导体与 N 型半导体相互接触而形成的结构。
在 PN 结中，P 型半导体中的空穴和 N 型半导体中的自由电子在接触区域发生复合，形成正负电荷对。
当外部施加电压时，空穴和自由电子被推向对方区域，形成电流。
2.PN 结的理想电流电压特性理想情况下，PN 结的电流与电压之间呈非线性关系。
当正向偏置时，即 P 型半导体接触正极，N 型半导体接触负极，此时空穴和自由电子复合，形成正向电流。
反向偏置时，即 P 型半导体接触负极，N 型半导体接触正极，空穴和自由电子不能复合，因此不存在反向电流。
3.PN 结电流电压偏离理想的原因实际应用中，PN 结的电流电压特性可能会偏离理想情况，主要原因包括：（1）半导体材料的非均匀性：实际半导体材料中，掺杂浓度和材料本身的缺陷等会导致材料的非均匀性，从而影响 PN 结的电流电压特性。
（2）温度影响：温度变化会影响半导体材料的载流子浓度和迁移率，进而影响 PN 结的电流电压特性。
（3）制造工艺：PN 结的制作过程中，工艺条件和掺杂浓度等因素会对其电流电压特性产生影响。
4.PN 结电流电压偏离理想的影响PN 结电流电压偏离理想特性会对半导体器件的性能产生影响，例如：（1）影响整流效果：对于二极管等整流器件，其整流效果受到 PN 结电流电压特性的影响。
若电流电压特性偏离理想，可能导致整流效果不佳，影响器件性能。
（2）影响放大效果：对于晶体管等放大器件，其电流放大倍数受到 PN 结电流电压特性的影响。
若电流电压特性偏离理想，可能导致放大效果不佳，影响器件性能。
5.结论综上所述，PN 结电流电压偏离理想会对半导体器件的性能产生影响。
【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
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 I0exp 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 1220 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。
第二章PN结资料
2.4 空间电荷区的复合电流和产生电流
• 低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 • 偏压升高： 扩散电流占优势 • 更高偏压： 串联电阻的影响
I （A）
103
串联电阻
实验数据 104
105
106
107
斜率 q KT
108
109
斜率 q
2 KT
1 0 10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
• 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。
3.耗尽层 -突变结
• 突变结势垒中的电场、电势分布 • 耗尽层近似：在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度
可以忽略，这称为耗尽近似。 • 杂质完全电离：
• 在N侧和P侧泊松方程可以分别简化为：
d dx22 qN D0xxn d dx22 qN A0xxn
0
•
边界条件： pnxpn0 pn0expV V T1
xW n xxn
pnxpn0AexpL xpBexpL xp
A pn0 exp k q 0 V T 1 exp L xn p pn0 exp V V T 1 exp L xn p B0
p n x p n 0 p n 0 e x p V V T 1 e x p x n L p x x x n
I0expV V T1
Shockley方程
•
正向偏压：
I
I0
exp
V VT
• 反向偏压： I I 0 • I0称为饱和电流
• 正向偏压情况下的PN结
载流子浓度
P型
np pn0
N型 pn pn0
空间电荷层
xp 0 xn
x
（a）少数载流子分布
PN结的特性
PN结的特性
（一）PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性。
外加正向电压时，空间电荷区变窄，流过一个较大的正向电流。
外加反向电压时，空间电荷区变宽，流过一个很小的反向饱和电流。
（二）PN结的伏安特性
PN结的伏安特性方程为:①U0且U UT时
即正向电流随正向电压的增大按指数规律迅速增大。
②Ult;0且│U│UT时：
即加反向电压时，只流过很小的反向饱和电流。
(三）PN结的反向击穿
反向击穿电压：发生击穿所需的反向电压UBR.PN结的反向击穿：当加到PN结上的反向电压增大到某个数值时，反向电流急剧增加。
特点：随着反向电流急剧增加，PN结的反向电压值增加很少。
（四）PN结的电容效应1.势垒电容
PN结加正向电压，使空间电荷区变窄；PN结加反向电压，使空间电荷区变宽。
区间电荷随外加电压变化而增大或减小，形成了电容效应，称为势垒电容CB。
2.扩散电容
以P 区为例：当外加电压增大时，非平衡少子浓度提高，曲线由1变为2；同理，外加电压减小时，非平衡少子浓度降低。
这
样，扩散到两边的少子受外加电压大小控制，形成电容效应，称为扩散电容C。
第二章 PN结二极管
0.0025
0.002
J( t )
0.0015
δpn ( x) ≅ pn 0 exp a − 1 kT
eV
xn + Wn − x Wn
0.001 5 .10
4
eD p pn 0 eVa exp J p ( x) = −1 W p kT
） 正 向 偏 压
Ec EFn Ev
eVbi
Ec
e
EFi EFp Ev
e(Vbi − Va )
h
I
电 恙 → 电 电流
I =0
→
恙电流
2.1.2 理想模型
+ Va -
1、耗尽层突变近似
—耗尽层以外地方为平衡半导体
W
P区
−−−|+++ −−−|+++ −−−|+++ −−−|+++ −−−|+++ −−−|+++ −−−|+++
第二章 PN结二极管
PN结的电流 2.1 PN结的电流 2.1.1 定性描述 2.1.2 理想模型 理想PN PN结电流 2.2 理想PN结电流 2.2.1 少数载流子分布 2.2.2 理想PN结电流 2.2.3 温度效应和短二极管 2.3 交流小信号模型 2.3.1 扩散电阻 2.3.2 扩散电容 2.3.3 等效电路 产生2.4 产生-复合电流 2.4.1 反偏产生电流 2.4.2 正偏复合电流 2.4.3 总正偏电流 PN结的击穿 结的击穿* 2.5 PN结的击穿* 2.5.1 击穿机制 2.5.2 击穿电流和电压 二极管瞬态* 2.6 二极管瞬态* 2.6.1 关瞬态 2.6.2 开瞬态 隧道二极管* 2.7 隧道二极管*
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电中性的，可忽略中性区的体电阻和接触电阻；
（2）均匀掺杂； （3）小注入(即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度)； （4）耗尽区内无复合和产生； （5）半导体非简并。 （6）P型区N型区的宽度远大于少子扩散长度
一 正向电流－电压特性
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在N型区的右侧，由于注入的非平衡少子（空穴）基本复合消失， 少子的扩散电流为零，流过的电流主要是多子－电子的漂移电流 少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计
中性区
在P型区的左侧， 流过的电流主要 是多子－空穴的 漂移电流，少子 （电子）的浓度 很低，其漂移电 流可忽略不计。
P区
漂移电流
扩散电流 漂移电流
复合
复合
扩散电流
N区
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扩散区
N区：电子在外加电压的作用下向边界Xn 漂移，越过空间电荷
区，经过边界XP注入P区，然后向前扩散形成电子扩散电流，
扩散区
扩散区：少子扩散电流和多子 漂移电流相互转换
扩散区
电子电流和空穴电流的大小在PN结附近扩散区域内的各处是
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不相等的，但两者之和始终相等。说明电流转换并非电流的 中断，而仅仅是电流的具体形式和载流子类型的改变，因此， PN结内的电流是连续的。
v0
0V 0V 0V 5V
例2：画出理想二极管电路的 传输特性（Vo~VI）
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当VI<0时 D1导通 D2截止 当VI>0时 D1截止 D2导通
VO
1 VO VI 2
+5V +2.5V
1 VO VI 2
- 5V
0
-2.5V
+5V
VI
- 5V
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例3：求整流电路的输出波形。 解：
正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止 负半周 D2、D4导通 D1、D3截止
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思考 ？
实际的PN结中，电流-电压特性发生显著地偏离 这是由空间电荷层内部载流子的复合和产生以及 外部接触电阻等因素所造成的。
总电流
二极管的饱和电流
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二 反向电流－电压特性
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2.3 理想PN结的直流电流－电压特性 一 正向电流－电压特性
二 反向电流－电压特性
三 PN结的伏安特性
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理想PN结模型假设：
（1）外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是
边界处
空穴注入的扩散电流分布
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电子浓度分布：
电子的扩散电流：
电子的扩散长度
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在边界处电子扩散电流：
电子注入的扩散电流分布
由于忽略了空间电荷区的复合和产生电流，则总电流：
I p ( xn ) I n ( x p )
这样形成了由N区流向P区的PN结反向电流。在右侧是电子漂
移电流，在左侧全部变为空穴电流。
漂移电流 扩散电流 漂移电流 扩散电流
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应用实例：二极管基本电路分析
例1：求vI1和vI2不同 值组合时的v0值（二极 管为理想模型）。 解：
vI1
0V 0V 5V 5V
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开关电路
vI2
0V 5V 0V 5V
二极管工作状态 D1 D2 导通 导通 截止 截止 导通 截止 导通 截止
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漂移电流 扩散电流 漂移电流 扩散电流
在XP~X’P区域中净产生的电子往XP方向扩散，一到达空间电荷
区边界XP即被电场扫过空间电荷区进入N区，产生的空穴则以 漂移形式流出XP~X’P 。
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三 PN结的直流特性
施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时， 电流趋于饱和（很小），称PN结处于反向截至。
正向特性
PN结具有单向导电性
门槛电压 反向特性 死区
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门槛电压：
在外加电压较低时，正向电流很小，几乎为零，随着电压的 增加，正向电流慢慢增大，当电压大于某一个值时，电流才 有明显的增加。这个电压称为PN结的导通电压或门槛电压 VTH。之后，电流随电压的增加而急剧增大。锗PN结的导通 电压为0.25V，硅PN结的导通电压为0.5V。
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反向电流特性：
少子的产生率
电子、空穴的复合率：
边界少子的浓度几乎为0，非平衡载 流子的浓度近似为-np0 和 -pn0
负的复合率表明产生率是正的，上式中分别是空穴扩散区
和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流。
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则通过PN结任意截面的电流都一样：
扩散电流 复合 漂移电流 扩散电流 复合 漂移电流
根据连续性方程和电流方程：
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空穴的扩散长度
边界条件
空穴浓度分布
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Байду номын сангаас
空穴注入的扩散电流：
在边界处空穴扩散电流：
但在电子扩散区域内，电子边扩散边复合，不断与从左边漂移 过来的空穴复合而转化为空穴的漂移电流，直到X’P 处注入的 电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。
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P区：空穴在外加电压的作用下向边界XP 漂移，越过空间电荷
区，经过边界XN注入N区，然后向前扩散形成空穴扩散电流， 在空穴扩散区域内，空穴扩散电流都通过复合而转化为电子的 漂移电流。
而产生大于复合。
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在XN~X’N区域和XP~X’P区域的少子浓度低于平衡少子浓度，因
漂移电流
扩散电流 漂移电流 扩散电流
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漂移电流 扩散电流 漂移电流 扩散电流
在XN~X’N区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边 界XN处，被电场扫过空间电荷区进入P区，产生的电子以漂 移的形式流出XN~X’N区。