PN型半导体电特性分析

苏安琴等

摘 要：基于PN结半导体的理论知识，详细的介绍了PN结半导体的工作原理，通过实验描绘出了PN结伏安特性曲线，并利用基本理论知识对大学实验中“非线性电阻元件”的伏安特性进行解释。

关键词：PN结半导体；伏安特性；理论分析

所谓非线性电阻元器件是指流过元件的电流不随元件两端电压的增加而线性增加的元器件， 两端的电压与流过的电流的比值不是一个常量的电阻元器件。如生活中的白炽灯、光敏电阻、热敏电阻、半导体二极管等。在大学物理实验中“非线性电阻伏安特性曲线测量”的内容主要阐述了非线性元件的电流电压的关系。而在高中和大学的物理实验[1]中我们只对线性元器件的伏安特性的测量较为了解，对非线性元件测量出的伏安特性曲线的结果却难以理解，从中学到大学的物理实验教材中，对于非线性元器件的伏安特性的解释也较少。为了帮助学生更好地理解非线性电阻的伏安特性，我们从PN结半导体的导电原理，测量出PN结半导体的伏安特性曲线并分析实验结果，以此帮助读者理解非线性元件的伏安特性曲线的测量结果。

1 PN结导电原理

2 PN结的伏安特性曲线

通过对PN结（硅材料半导体）加正向电压或反向电压测得其电流随电压的变化值，最后画出如下图1的伏安特性曲线图。

图中B区电流随电压的变化保持为零 称为正向施加电压时表现出来的二极管的死区，A区为正向导通电压区；C区为反向截止区，在这一区域内随着所加反向电压的减少，电流为一个稳定值，这个电流值为二极管的反向饱和电流，其中可以看到反向电流非常的小，这是因为在这一区域内，反向饱和电流是由于少数载流子漂移而产生的，然而载流子的密度极小故导致反向饱和电流值非常小；D区为反向击穿区，在反向电压增加到足够大时就会将二极管击穿，此时反向电流就会随反向电压的增加而迅速增加。

根据理论分析结果可知，在二极管两端加正向电压时， ，由（9）式可知PN结电流密度变化随电压的变化呈指数变化趋势，这与如图1中的BA区电流变化趋势一致。同理因为 ，所以在加反向电压时电流密度随方向电压的增加而衰减并称指数变化，这与图一中CD区曲线的变化完全一直。因此通过计算二极管中加正反向电压时的电流密度表达式，就可以对“二极管伏安特性曲线”进行解释。

3 总结

通过上面的推导和实验图像我们可以知道，二极管的伏安特性曲线变化与二极管两端施加正反电压时PN结内电流密度的变化有关，即当加正向电压时电流密度 ，当加反向电压时电流密度 ，并且无论是施加正向电压还是反向电压，电流密度的变化都可相应近似地视为指数变化，这与实验得出的二极管的伏安特性曲线完全一致。因此可以利用电流密度与电压的关系来解释“二极管的伏安特性曲线”。

[参考文献]

[1]徐建刚，邹志纯.大学物理实验[M].西安：陕西人民出版社，2003.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础第四版[M].高等教育出版社，2005.

[3]汪志诚.热力学·统计物理第五版.高等教育出版社，2013.

[4]李道真.PN结伏安特性的推导过程[J].大学物理，1994，13（1）：35-37.