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。
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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
电压/V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
电容/Pf
电压/V 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2
电容/Pf
电压/V 1.4 1.6 1.8 2.0 2.3 2.6
电容/Pf
电压/V 2.9 3.5 4.0 4.5 5. 5.5
电容/Pf
电压/V 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5
电容/Pf
电压/V 9.0
电容/Pf
五、思考题
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。