PN结外加电压
pn半导体通电原理
pn半导体通电原理PN半导体通电原理随着电子技术的发展，半导体材料在电子器件中得到了广泛应用。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一，其通电原理是理解半导体器件工作的基础。
本文将从PN半导体的结构、PN结的形成原理、PN结的通电原理等方面进行详细阐述。
一、PN半导体结构PN半导体是由P型半导体和N型半导体通过特定工艺制成的结构。
P型半导体中主要掺入了三价元素，如硼；N型半导体中主要掺入了五价元素，如磷。
在P型半导体和N型半导体的接触面上形成一个PN结，该结构具有一定的电导率差异。
二、PN结的形成原理PN结的形成是通过掺杂技术实现的。
在掺杂过程中，P型半导体和N型半导体的晶体中，掺入的杂质原子会形成正负离子。
P型半导体中掺入的三价杂质原子会失去一个电子，形成正离子；N型半导体中掺入的五价杂质原子会多出一个电子，形成负离子。
当P型半导体和N型半导体相互接触时，正负离子会在接触界面上相互结合，形成电子-空穴对，从而形成PN结。
三、PN结的通电原理PN结的通电原理是基于P型半导体和N型半导体之间的电势差。
在没有外加电压时，PN结处形成了内建电场。
在PN结的P区域中，由于掺入的三价杂质原子失去了一个电子，形成正离子，形成了P 区的正电荷；在PN结的N区域中，由于掺入的五价杂质原子多出一个电子，形成负离子，形成了N区的负电荷。
这样，PN结两侧形成了电势差，即内建电场。
当外加电压为零时，内建电场会阻止电子和空穴的扩散。
但当外加电压大于内建电场时，内建电场会被抵消，电子和空穴可以自由扩散。
这时，PN结的导电性会增强，形成正向偏置。
在正向偏置下，外加电压的正极连接在P区，负极连接在N区。
由于P区电势较高，N区电势较低，电子将由N区向P区扩散，而空穴将由P区向N区扩散。
这样，PN结两侧的载流子会相互复合，形成电流。
这种情况下，PN结呈现出导电性，即PN结导通。
相反，当外加电压为负值时，即反向偏置，外加电压的正极连接在N区，负极连接在P区。
pn结的正向电流电压关系式各个参量的具体含义
pn结的正向电流电压关系式各个参量的具体含义引言p n结是半导体器件中常见的一种结构，其正向电流电压关系式是描述p n结正向工作状态的重要公式。
本文将详细讨论pn结的正向电流电压关系式，并解释其中各个参量的含义与作用。
正向电流电压关系式p n结的正向电流电压关系式可以描述为：I=I0*[e x p(q V/kT)-1]其中，各个参量的含义如下：-I:p n结的正向电流，单位为安培（A）。
-I0:饱和电流，也叫反向饱和电流或饱和电流密度，单位为安培（A）。
-q:电子电荷，约为1.6×10^-19库伦（C）。
-V:p n结的施加电压，单位为伏特（V）。
-k:玻尔兹曼常数，约为1.38×10^-23焦耳/开尔文（J/K）。
-T:绝对温度，单位为开尔文（K）。
各个参量的具体含义p n结的正向电流(I)正向电流是指当p n结施加一定电压时从p端流向n端的电流。
它是由在内部存在的电子和空穴扩散运动引起的。
正向电流是p n结工作的基础，通过控制正向电流大小可以实现对pn结器件的操作。
饱和电流(I0)饱和电流指的是在正向偏置下，当pn结两侧的电压非常大时，电流达到的最大值。
在这种情况下，电子和空穴通过扩散运动逐渐形成并趋于平衡，从而形成饱和电流。
饱和电流是p n结正向电流的关键参数之一，与p n结材料属性和结构参数密切相关。
电子电荷(q)电子电荷是电荷的基本单位，用于描述电子在电场中运动所携带的电量。
它在正向电流电压关系式中的作用是将电压单位转换为电荷单位，以保持公式的一致性。
p n结施加电压(V)施加电压是指将电源的正极连接到pn结的p区域，负极连接到n区域，从而产生一个电场作用于pn结的过程。
施加电压决定了p n结正向电流的大小，它越大，正向电流也越大。
玻尔兹曼常数(k)玻尔兹曼常数是统计力学中的一个重要常数，用于描述宏观热力学系统的性质。
在正向电流电压关系式中，玻尔兹曼常数的作用是将温度单位转换为能量单位，以保持公式的一致性。
pn 结在无电压、正反电压作用下的势垒变化
一、概述pn 结是半导体器件中重要的元件，在电子学领域有着广泛的应用。
在pn 结中，势垒是一个重要的概念，它决定了电子和空穴的运动方向和转移行为。
而势垒的变化，则直接影响了pn 结的导通和截止状态。
本文将重点讨论在无电压、正反电压作用下，pn 结势垒的变化。
二、无电压下的势垒1. pn 结的结构pn 结由n 型半导体和p 型半导体组成，两者之间形成势垒。
在无外加电压的情况下，pn 结处于静止状态，此时势垒的高度为内建电场所形成的电势差。
当n 区和p 区杂质浓度相pn 结的势垒高度较低；当n 区的杂质浓度大于p 区时，pn 结的势垒高度较高。
2. 无电压情况下的电子和空穴行为在无电压的情况下，最大漏极空穴浓度与最大集电极电子浓度相等，由此可以得出结论：1在外电场的分布下，pn 结两侧各自的电场的分布。
其中p 区与n 区的集载流子的浓度相等，则处于平衡状态。
在pn 结两侧形成空间电荷区，将形成固有势垒。
3. 无电压情况下的势垒分布未加电压的pn 结，势垒最低处是在接触面p、n 表面内侧，势垒的高度在两侧均升高，最高处出现在按短接裸结pn，宽电压pn 次之，在直通电压下势垒高度最大。
从峰值搭上温度的增加而降低。
三、正电压作用下的势垒变化1. 正向偏置在正向偏置条件下，外加电压与内建电场方向相同，导致势垒的降低。
当外加电压逐渐增加，势垒不断被稀释，最终消失，pn 结导通。
此时的势垒高度与外加电压呈线性关系。
2. 正向偏置下的载流子行为在正向偏置的情况下，外场电压逐渐增加，势垒被稀释，最终消失，逆电压极性逐渐减弱；在pn 结区域电动势的作用下，空间电荷区的宽度减小；在峰值搭上压电压与温度的正则关系。
四、反电压作用下的势垒变化1.反向偏置在反向偏置条件下，外加电压与内建电场方向相反，导致势垒的增高。
当外加电压逐渐增加，势垒不断增高，最终达到最大值，此时是pn 结的截止状态。
此时的势垒高度与外加电压呈指数关系。
pn结的特性
pn结的特性PN结（P-N结）是由半导体材料中的p类（正极）和n类（负极）材料组成的基本构成单元，它们之间形成的接口称为PN结，是整个半导体器件中最重要的结构。
PN结主要用于传输信号，它是半导体器件在信号传输、电路编程、芯片技术中最重要的结构。
PN结具有如下特点：1、通特性优良：PN结由两个互补的半导体材料构成，当外加电压时，p和n两型半导体材料之间形成电势峰，极导电能力极强，对微弱电流的电压响应性能好，所以它可以具备很高的信号放大系数、微弱电流放大系数以及低电阻和静态漏电流。
2、受性能优良：PN结的电压接受性能优良，只要外加的脉冲电压超过介入压，就会发生导通现象，所以它是放大器和敏感器的重要元件，也可以用于制作抗干扰的电路，可以有效抑制噪声抗干扰能力强，电压接受性优良，所以，在微电子电路中，它是十分重要的元件之一。
3、压压控性优良：PN结具有优良的电压压控性，只要外加的电压超过介入压，就会自动导通，而当电压低于介入压时，会自动断开导通状态，所以它是制作自动控制电路的必备元件，在通用电路和微机控制电路中，它都表现出优良的性能。
4、干扰性能优良：PN结的抗干扰性能优良，因为它的导通电流较小，而且它产生的介入电压较高，所以它可以抑制噪声，而且它的导电压变化小，抗干扰性强，能有效的抑制外界噪声对电路的影响，因此，在电路中应用非常广泛，可以提高系统的可靠性。
PN结是整个半导体器件中最重要的结构，它具有导通特性优良，接受性能优良，电压压控性优良，以及抗干扰性能优良的特点，在电路中应用非常广泛，可以提高系统的可靠性。
同时，它在信号传输、电路编程、芯片技术中也扮演着重要角色。
因此，了解PN结的特性对于半导体技术开发及应用非常重要，可以为学习和研究半导体技术提供有效帮助。
半导体pn结的用途
半导体pn结的用途半导体pn结是半导体器件中的一种重要结构，它具有多种用途。
本文将从多个角度介绍半导体pn结的用途。
1. 整流器半导体pn结最基本的用途是整流器。
在半导体pn结中，p型半导体与n型半导体之间形成了一个势垒，当外加电压反向时，电流无法通过；当外加电压正向时，电流可以通过。
因此，将半导体pn 结连接到电路中，可以起到整流的作用，将交流电转换成直流电。
2. 发光二极管（LED）半导体pn结还可以用来制造发光二极管（LED）。
LED是一种半导体器件，当电流通过半导体pn结时，电子与空穴结合释放出能量，产生光电效应。
LED具有低功耗、长寿命、高亮度等优点，已广泛应用于照明、显示、通信等领域。
3. 光电二极管（PD）半导体pn结还可以用来制造光电二极管（PD）。
PD是一种半导体器件，当光照射到半导体pn结上时，电子与空穴结合产生电流。
PD具有高灵敏度、快速响应等优点，已广泛应用于光通信、光电检测等领域。
4. 晶体管半导体pn结还可以用来制造晶体管。
晶体管是一种半导体器件，可以放大电流、控制电流。
在晶体管中，半导体pn结起到控制电流的作用。
晶体管具有高增益、低噪声等优点，已广泛应用于电子设备中。
5. 太阳能电池半导体pn结还可以用来制造太阳能电池。
太阳能电池是一种半导体器件，将光能转换成电能。
在太阳能电池中，半导体pn结起到将光能转换成电能的作用。
太阳能电池具有无噪声、环保、长寿命等优点，已广泛应用于太阳能发电领域。
6. 双向触发二极管（TRIAC）半导体pn结还可以用来制造双向触发二极管（TRIAC）。
TRIAC是一种半导体器件，可以控制交流电的电流和电压。
在TRIAC中，半导体pn结起到控制电流和电压的作用。
TRIAC具有高精度、可靠性好等优点，已广泛应用于电子设备中。
半导体pn结具有多种用途，是半导体器件中的重要结构之一。
随着科技的不断进步，半导体pn结的应用领域还将不断拓展。
pn结的势垒电容耗尽层的电荷随外加电压变化
电容耗尽层是半导体材料中存在的一种电荷耗竭区域，当外加电压增大时，该区域中的电荷浓度也会发生变化。
而pn结的势垒则是半导体器件中常见的结构，其特性对于电子器件的性能起着至关重要的作用。
本篇文章将探讨pn结的势垒电容耗尽层的电荷随外加电压变化的情况。
1. pn结的势垒pn结是由p型半导体和n型半导体直接接触形成的结构，在pn结的交界面处存在着势垒。
势垒的形成是由于p型半导体和n型半导体之间的电子浓度差异所引起的，当p型半导体中的空穴向n型半导体扩散时，空穴将与n型半导体中的自由电子重新组合，从而在pn结的交界面形成势垒。
2. 电容耗尽层的形成在pn结的势垒形成的过程中，由于空穴和自由电子的重新组合，使得pn结的势垒区域附近形成了一个电荷耗竭层，该层即为电容耗尽层。
在电容耗尽层中，电荷浓度非常低，因此其存在会给pn结带来一定的电容效应。
3. 外加电压的作用当外加电压施加在pn结上时，会影响势垒的高度和电容耗尽层中的电荷密度。
具体来说，当外加正向电压施加在pn结上时，势垒的高度减小，电容耗尽层中的电荷密度也随之增加；而当外加反向电压施加在pn结上时，势垒的高度增加，电容耗尽层中的电荷密度减小。
4. 电容耗尽层电荷随外加电压变化的机理这种现象的产生可以归因于外加电压对于pn结内电荷分布的影响。
当施加外加正向电压时，使得pn结的势垒降低，电子从n型半导体向p型半导体扩散，空穴从p型半导体向n型半导体扩散，导致电容耗尽层的厚度减小，电荷密度增加。
而当施加外加反向电压时，势垒增高，电荷耗尽层的厚度增加，电荷密度减小。
5. 应用pn结的势垒电容耗尽层的电荷随外加电压变化的现象在半导体器件中具有重要的应用价值。
不仅可以用于电容器的制造，还可以在场效应管、二极管等器件中发挥作用。
通过对pn结的势垒电容耗尽层的电荷随外加电压的研究，可以更好地优化半导体器件的性能和功能。
总结：通过对pn结的势垒电容耗尽层的电荷随外加电压变化的探讨，我们可以更加深入地了解半导体器件中的电荷分布及其对器件性能的影响。
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 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅=nkT qv I I ex p 0 （Ⅰ） 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21002⎥⎦⎤⎢⎣⎡=N V q Xm εε （Ⅱ）式中，0ε为自由空间电容率，ε介电常数，N 0为PN 结低掺杂边的凈杂质浓度。
所以在外加反向偏压V V B （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。
pn结 禁带宽度 开启电压
pn结禁带宽度开启电压
PN结是半导体器件中常见的结构，它由P型半导体和N型半导
体的结合而成。
禁带宽度是指PN结中的禁带宽度，也称为能隙，是
指在固体中电子在价带和导带之间的能量差。
这个能隙决定了半导
体的导电性质。
当外加电压作用在PN结上时，会产生开启电压，这
是指当外加电压超过PN结的内建电压时，PN结会出现导通的状态，电流得以通过。
这个开启电压是PN结正向偏置时的电压值。
在这种
情况下，P型半导体的空穴和N型半导体的自由电子会向PN结内部
扩散，从而形成导电通道。
这种导通状态使得PN结具有整流和放大
等重要功能，广泛应用于二极管、晶体管等电子器件中。
从物理角度来看，PN结的禁带宽度决定了半导体的导电性质，
较窄的禁带宽度会使得半导体更容易导电。
而开启电压则是在外加
电压作用下，改变PN结内部电场分布，从而实现导通状态的电压值。
从工程应用角度来看，了解PN结的禁带宽度和开启电压可以帮助工
程师设计和选择合适的半导体器件，以满足特定的电路要求。
在电
子学领域，对PN结的禁带宽度和开启电压有深入的理解是非常重要的，因为它们直接影响着电子器件的性能和工作状态。
总的来说，PN结的禁带宽度和开启电压是半导体器件中非常重
要的两个参数，它们影响着半导体的导电特性和工作状态，对于理解半导体器件的工作原理和性能具有重要意义。
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锗二极管2AP15的V-I 特 性
•开启电压(门坎电压)Vth，硅管为0.5V，锗管为0.1V。 •正向导通后，硅0.7Ｖ，锗0.3Ｖ。低电压稳压器。
• 硅管的反向电流极小(nA)，锗管的反向电流较大(μA)。
硅：0.1μA；锗：10μA
•反向击穿时，外部电路对电流加以限制，否则器件可能被损坏。
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（2）齐纳击穿：场致激发（杂质 浓度特别高）
（3）热击穿： PN结过热
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(1) 扩散电容CD 正向偏置 (2) 势垒电容CB 反向偏置
•正向偏置时，主要取决于扩散电容。 •反向偏置时，主要取决于势垒电容。 电子与•对信息低工频程信学号院呈现较大的容抗，其作用一般可忽电略子。与信息工程学院
最高工作频率fM ：当频率大到一定程度时，二极管的单向导电性
将明显地变差。
极间电容Ｃｄ：在高频或开关状态运用时必须考虑其影响。 反向恢复时间TRR:由于结电容效应的存在，正向导通到截止需要
的时间，截止到导通不存在恢复时间。
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种类、型号选择－－查器件手册（国内，日本，美国）。 正负极判断（P72 3.3.2）
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外加电压才显示出来
当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。
(1) PN结加正向电压时
(2) PN结加反向电压时
• 低电阻、导通 电子与• 大信的息正工向程扩学院散电流
• 大电阻、截止 • 很小的反向饱和电流电子与信息工程学院
PN结面积大， 用于工频大电流整 流电路。但极间电 容也大，不适于高 频电路中。
往往用于集成电
路制造工艺中。 PN 结面积可大可 小，用于高频整 流和开关电路中。
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发光二极管
整流二极管
稳压二极管
碳化硅二极管
其他二极管
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阳极
阴极
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硅二极管2CP10的V-I 特 性
硅（Si）、锗（Ge） 砷化镓（GaAs） 硼（B）、磷（P）
只有硅能满足集成电路要求的高产量、低成本的物理特性。
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在室温下，热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为 自由电子，同时共价键中留下一个空穴。 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。 自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。 自由电子和空穴统称为载流子。
（3）PN结的伏安特性---以硅二极管的PN结为例
iD IS (evD /VT 1)
其中
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
vD——PN结外加电压 常温下（T=300°K）
kT VT q 26mV
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• 在正向特性的起始部分,存在死
区,开启电压(门坎电压)Vth •温度每升高1°，结两端的电压
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漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
单向运动
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。
随机运动
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（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动 （2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移
（3）扩散和漂移动态平衡：PN结（空间电荷区、耗尽层、势垒区）
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杂质半导体：为了提高半导 体的导电能力，人为掺 入某些微量的有用元素 作为杂质，称为杂质半 导体。在提炼单晶的过 程中一起完成。掺杂是 为了显著改变半导体中 的自由电子浓度或空穴 浓度，以明显提高半导 体的导电性能。
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控制掺入杂质元素的 浓度，就可控制杂质 半导体的导电性能。
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最大整流电流（平均值）IF：是指管子长期运行时允许通过的最 大正向平均电流，电流太大会烧坏。如2AP1最大整流电流为
16mA。
反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压VRM :VRM约为击穿电压的一 半。
反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向 导电性愈好 。
三价元素掺杂——P 型半导体 五价元素掺杂——N 型半导体
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P型半导体 N型半导体
时在
空 穴 多
并产
电 子
不 产 生
生 空 穴
自的
由同
的在
电 子 多
同产
空 穴
时 并 不
生 自 由
产电
生子
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3.2.1 载流子的漂移与扩散 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应
ห้องสมุดไป่ตู้
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A 单向导电
B 开启电压
二极管
D 反向击穿
C 导通电压
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3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数
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在PN结上加上引线和封装，就成为一个分立的半导体二极管元件。
点接触型
面接触型
平面型
阳极 阴极 引线 引线
P N P 型支持衬底
PN结面积小，结 电容小，用于检波 和变频等高频电路。 不能承受高的反向 电压和大的电流。 电子与信息工程学院
大约下降2ｍＶ。（电子温度计）
•反向电流极小(nA)，但实际远大
于IS
，随温度升高而增加。
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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。
雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿——可逆
应用： 电压稳压器 热击穿——不可逆 需要避免
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（1）雪崩击穿：碰撞电离
3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管
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半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，当受外界光和
热刺激或加入微量掺杂,导电能力显著增加。(性能可控)
典型的半导体材料
元素 化合物 掺杂元素