Pn结与二极管实验指导[1]
PN结型光电二极管
PN结型光电二极管工作原理
由于光电流是光生载流子参与导电形成的，而光 生载流子的数目又直接取决于光照强度。因此， 光电流必定随入射光的强度变化而变化。这表明， 加有反向电压的光电二极管能把光信号变成电信 号电流。
PN结在热平衡状态下无光照时在结区 （耗尽区）存在着接触电势差。与发光 时相反，如果在PN结上加适当的反向电 压，则PN结的结区将被拉宽，并同时在 电路中产生一个反向漏电流。一般PN结 的反向漏电流很小，称为光电二极管的 暗电流。
特点
将光强的空间分布转换成相应与光强成正比的、大小不等的电荷 包空间分布；CCD以电荷为信号，其基本功能是信号引起电荷的 产生、存储和转移；国内CCD的驱动电压一般为15伏。
(六）谐振腔增强型(RCE)光探测器
产生的原因： 随着社会的发展,人们对信息的需求量日 益增加，高速、宽带、大容量的光纤通信网络 将在未来社会生活中发挥极其重要的作用。波 分复用(WDM)技术及密集波分复用(DWDM)技 术作为未来光纤通信系统的支撑技术，成为当 前光纤通信系统研究与应用的热点。在WDM 和DWDM技术中，如何实现可调谐窄线宽的光 探测器是其关键课题之一。1991年,首次提出的 谐振腔增强型(RCE)光探测器结构为解决该课 题提供了一条大有潜力的途径。
（3）光电流
光电流主要受光照强度的影响，它与光
照度的关系为
I ∝ Ev
式中，E为光的照度，v=1±0.05。 光电流基本上随照度增强而线性增大。 一般来说，光电二极管的光电流越大越 好，商品化硅光二极管的光电流为几十 微安
（4）光谱响应特性
光电二极管对光的响应存在 最长波长极限，称为长波限。 硅光电二极管的长波限约为 1.1µ m。 光波长越短，光子能量越大。 但对光电二极管，入射波长 短，管心表面的反射损耗大， 从而使管心实际上得到的能 量减少。所以光电二极管存 在入射光的短波限。 一般硅光电二极管的短波限 为 0.4µ 。 硅 光 电 二 极 管 的 m 峰 值 波 长 为 0.9µ ， 与 光 纤 m 的短波长窗口相适应。
PN结与二极管原理
IR I0 (eU UT 1)
I0 为反向饱和电流， 在300 K时，UT≈26 mV
随着反向电压U的增大，IR 将趋于一个恒定值 -I0
因 少子浓度与本征载流子浓度成正比，并且随温度升高而 快速增大。所以，反向扩散电流对温度十分敏感，随温度 升高而快速增大。
这时 PN结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻 值很大, 高达几百千欧以上。
2、外加多子正向注入效应
非平衡不同区的少子浓度分布
比较：平衡PN结
电阻很小
两边的多子易 通过势垒区
e
空穴
p
电子
e
电子
空穴
扩散长度
注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方 式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散， 同时进行复合，最终形成一个稳态分布。
3、正向扩散区边界少子浓度和分 布
6. 温度的影响；——少子的影响增强(本征激发)
1. 正向PN结空间电荷区复合电流； 正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入， 载流子浓度高于平衡值;
复合地点不同
浓度相差很大 复合影响不显著
电子和空穴浓 度基本相等 复合影响显著
浓度相差很大 复合影响不显著
耗尽区或耗尽层——空间电荷区的载流子已基本被耗尽；
Depletion layer
空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;
2.2 PN结的非平衡双向直流特性
PN结非平衡状态——在PN结上施加偏置(Bias)电压 ； PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased)， 否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased)，并假设：
2、能带状态图
接触时
PIN光电二极管综合实验
PIN光电二极管综合实验仪GCPIN-B实验指导书(V1.0)武汉光驰科技有限公司WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目录第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明 ...................... - 3 -一、产品介绍 (3)二、实验仪说明 (3)1、电子电路部分结构分布............................... - 3 -2、光通路组件......................................... - 4 - 第二章实验指南.......................................... - 5 -一、实验目的 (5)二、实验内容 (5)三、实验仪器 (5)四、实验原理 (6)五、实验准备 (8)六、实验步骤 (8)1、PIN光电二极管暗电流测试 ........................... - 8 -2、PIN光电二极管光电流测试 ........................... - 9 -3、PIN光电二极管光照特性 ............................. - 9 -4、PIN光电二极管伏安特性 ............................ - 10 -5、PIN光电二极管时间响应特性测试 .................... - 10 -6、PIN光电二极管光谱特性测试 ........................ - 11 -第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍对于以高速响应为目标的光电二极管来说，未来减少p-n节的电容，在p与n之间设计一个i层的高阻抗层结构，即在n型硅片上制作一层低掺杂的高阻层，即i层（本征层）在该层上在形成p层。
其工作原理：来自p层外侧的入射光，主要由i层吸收，从而产生空穴和电子。
使用元件时要外加反向偏压，以使空穴朝p层移动，而电子朝n层移动，再由两电极流到外电路。
【精选】实验二光敏二极管特性实验
实验二光敏二极管特性实验一:实验原理:光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
光敏二极管结构见图(6)。
二:实验所需部件:光敏二极管、稳压电源、负载电阻、遮光罩、光源、电压表(自备4 1/2位万用表).、微安表三:实验步骤:按图(7)接线,注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。
由于硅光敏二极管的反向工作电流非常小，所以应提高工作电压，可用稳压电源上的+10V。
1、暗电流测试用遮光罩盖住光电器件模板,电路中反向工作电压接±12V,打开电源，微安表显示的电流值即为暗电流，或用4 1/2位万用表200mV档测得负载电阻RL上的压降V暗，则暗电流L暗=V暗/RL。
一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。
可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试比较。
2、光电流测试:取走遮光罩，读出微安表上的电流值,或是用4 1/2位万用表200mv档测得RL上的压降V光,光电流L光=V光/RL。
3、灵敏度测试:改变仪器照射光源强度及相对于光敏器件的距离，观察光电流的变化情况。
4、光谱特性测试:不同材料制成的光敏二极管对不同波长的入射光反应灵敏度是不同的。
由图（8）可以看出，硅光敏二极管和锗光敏二极管的响应峰值约在80~100μm，试用附件中的红外发射管、各色发光LED、光源光、激光光源照射光敏二极管，测得光电流并加以比较。
图（8）光敏管的伏安特性曲线图（9）光敏二极管的光谱特性曲线注意事项:本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制定为±12V （24V），硅光敏二极管暗电流很小，不易测得。
光敏管的应用-----光控电路一:实验目的:了解光敏管在控制电路中的具体应用。
PN结和二极管的工作原理
PN结和二极管的工作原理PN结是半导体器件中常见的结构之一，也是二极管的基本组成部分。
它具有特殊的工作原理，能够实现电流的单向导通，从而实现电子器件的正常工作。
在这篇文章中，我将详细介绍PN结和二极管的工作原理。
一、PN结的构成和形成PN结由两种不同类型的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质掺杂物主要是三价元素，如硼(B)，而N型半导体中的杂质掺杂物主要是五价元素，如磷(P)。
当P型半导体和N型半导体接触时，发生电子的扩散过程。
当两种半导体相接触时，P型半导体中的电子会向N型半导体中扩散，而N型半导体中的空穴会向P型半导体中扩散。
这样，在相接触区域形成一个带有正电荷的区域，称为P区，和一个带有负电荷的区域，称为N区。
P区和N区之间的边界称为PN结。
二、PN结的正向偏置当在PN结上施加正向电压时，使P区的正电荷与N区的负电荷相吸引，减小了PN结的势垒，电子和空穴能够更容易地通过PN结区域。
在正向电压作用下，P区中的空穴朝着N区移动，N区中的电子朝着P区移动，形成空穴电流和电子电流的流动。
空穴和电子在PN结区域相互复合，产生的正负离子消失。
这样，PN结就能够导通，电流可以顺利通过。
三、PN结的反向偏置当在PN结上施加反向电压时，使P区的负电荷与N区的正电荷相吸引，增加了PN结的势垒，形成一个更大的阻碍电流流动的势垒。
在反向电压作用下，PN结的势垒增大，电子和空穴被阻止穿越PN 结区域，电流无法通过PN结。
只有当反向电压超过PN结的击穿电压时，才会发生击穿现象，电流才能够通过PN结。
四、二极管的工作原理二极管是一种基于PN结构的电子器件，它具有单向导电特性。
当二极管的正极施加正向电压，负极施加反向电压时，二极管处于正向偏置状态；当二极管的正极施加反向电压，负极施加正向电压时，二极管处于反向偏置状态。
在正向偏置状态下，二极管导通，电流可以从P区流向N区，实现低阻抗。
在反向偏置状态下，二极管截止，电流无法通过，形成高阻抗。
2-1PN结及二极管
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2
2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
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；
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3
（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
PIN光电二极管综合实验
PIN光电二极管综合实验仪GCPIN-B实验指导书(V1.0)武汉光驰科技有限公司WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目录第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明 ...................... - 3 -一、产品介绍 (3)二、实验仪说明 (3)1、电子电路部分结构分布............................... - 3 -2、光通路组件......................................... - 4 - 第二章实验指南.......................................... - 5 -一、实验目的 (5)二、实验内容 (5)三、实验仪器 (5)四、实验原理 (6)五、实验准备 (8)六、实验步骤 (8)1、PIN光电二极管暗电流测试 ........................... - 8 -2、PIN光电二极管光电流测试 ........................... - 9 -3、PIN光电二极管光照特性 ............................. - 9 -4、PIN光电二极管伏安特性 ............................ - 10 -5、PIN光电二极管时间响应特性测试 .................... - 10 -6、PIN光电二极管光谱特性测试 ........................ - 11 -第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍对于以高速响应为目标的光电二极管来说，未来减少p-n节的电容，在p与n之间设计一个i层的高阻抗层结构，即在n型硅片上制作一层低掺杂的高阻层，即i层（本征层）在该层上在形成p层。
其工作原理：来自p层外侧的入射光，主要由i层吸收，从而产生空穴和电子。
使用元件时要外加反向偏压，以使空穴朝p层移动，而电子朝n层移动，再由两电极流到外电路。
PN结与二极管原理
电场方向是电势降落的方向；
定义电势能： E qU
q e
第八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。
能带图是按电子能量的高低画 E eU
P区电子的电势 能比N区的高
势能坡垒
空间电荷区
PN结接触电势差
在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势 能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”
—— PN结势垒
扩散运动 浓度差 多子
？
漂移运动 电场力 少子
动态平衡——两个相反的运动大小相等、方向相反；
由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。
思考：自建电场对各区中的少子发生什么影响？
第七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。
2、能带状态图
接触时
电场
各自独立时
平衡后
没有外加电压，费米能级应处处相等； 即 ：两个区的费米能级拉平 。
处）空穴电流密度为：
jp (0)
jp(XN )
p(0) qDp Lp
则I p X N :
I
p
XN
AjP
(X
N
)
qAp(0)
Dp Lp
=AqpN 0
Dp Lp
qU
(e KT
1)
其中：Dp 空穴扩散系数
Lp 空穴扩散长度
第十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。
qU
同理，把注入P区边界 的X P非平衡电子的浓度
I
Aq
n
p0 Dn Ln
pN 0Dp Lp
qU (e KT
1)
第二十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。
若假设Aq
n
p0 Dn Ln
pN 0Dp Lp
I0
二极管实验原理
二极管实验原理
实验原理：二极管是一种最简单的原件，由砷化镓、砷化铟等半导体材料制成。
它由两个高掺杂的p型和n型半导体材料组成，形成一个p-n结。
在二极管的p-n结上，由于p区和n区
的材料的不同，产生了内建电场。
在正向偏置时，将正电压加在p区，使p区具有较高的电位；而n区则表现出较低的电位。
此时，电子从p区流向n区，空穴从n区流向p区，形成电流。
这种情况下，电流会直接通过二极管，称为正向电流。
而在反向偏置时，将负电压加在p区，使p区变成较低的电位，n区则变成较高的电位。
由于内建电场的影响，导致产生一个
反向电流，这个电流非常小且近似为常量，称为反向饱和电流。
这时，二极管处于完全截止状态，几乎不会有电流通过。
因此，二极管具有只允许电流在一个方向通过的特性。
这种特性使得二极管成为众多电子器件的基础，如整流器、放大器、逻辑门等。
二极管电路的应用实验原理
二极管电路的应用实验原理实验目的•了解二极管的基本原理和特性•进一步掌握二极管的应用电路的实验原理•熟悉二极管在信号检测、整流和电压稳定等方面的应用简介二极管是最简单的半导体器件之一，具有电流只能单向流动的特性。
它在电子技术领域有着广泛的应用，如信号检测、整流器、电压稳定器等。
通过实验，可以进一步理解二极管的工作原理和应用。
实验原理1.二极管的结构：二极管由P型半导体和N型半导体组成，其中P型半导体的材料中掺入了三价元素，N型半导体的材料中掺入了五价元素。
P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子在PN结附近形成耗尽层，使得二极管的两端形成正向和反向压降。
2.二极管的特性：二极管正向时具有较低的电阻，反向时具有较高的电阻。
正常工作时，正向电压不大时，二极管处于导通状态；反向电压过高时，二极管处于截止状态。
3.二极管的应用实验原理：二极管常用于信号的检测、整流和电压稳定。
在信号的检测中，利用二极管的导通特性将信号转换为电压信号；在整流电路中，利用二极管的单向导通特性将交流信号转换为直流信号；在电压稳定器中，利用二极管的反向电压稳定特性来稳定输出电压。
实验步骤1.实验电路的搭建：–将一个二极管连接到一个电流表和一个可调电阻上。
–将电源连接到二极管的正向端，并接地。
2.实验一：信号检测–将一个信号源连接到二极管的正向端。
–调节可调电阻，观察电流表的读数。
3.实验二：整流器–将一个交流信号源连接到二极管的正向端。
–调节可调电阻，观察电流表的读数。
4.实验三：电压稳定器–将一个电压信号源连接到二极管的反向端。
–调节可调电阻，观察电流表的读数。
实验结果分析•实验一：根据电流表的读数，可以判断出信号源是否正常工作。
当电流表读数较大时，说明信号源输出电压较高；当电流表读数为零时，说明信号源输出电压为零或非常小。
•实验二：根据电流表的读数，可以判断出交流信号源的输出频率和波形。
当电流表读数为零时，说明交流信号源输出电压为零或非常小；当电流表读数为正值时，说明交流信号源输出电压的正半周期高于二极管的阈值电压。
第六章pn结二极管：I-V特性
0偏
反偏
正偏
6.2.1 定性推导
1.热平衡状态
电子从n区扩散到p区需有足够 的能量克服“势垒”。只有少 数高能量的电子能越过势垒到 达P区，形成扩散流。
P区的电子到达n区不存在势垒， 但是少子，少数电子一旦进入 耗尽层，内建电场就将其扫进n 区，形成漂移流。
热平衡：电子的扩散流=漂移流
空穴的情况与电子类似
p注入的非平衡载流子向体内扩散但由于电子和空穴的扩散系数不同又破坏了电中性在扩散区内产生自建电场此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动同时又加快扩散得慢的空穴的运动从而使两者的浓度梯度基本保持一扩散区内的自建电场的形成也就使扩散区内存在一定的电压降v这一电压降实际上就使真正落在耗尽区的正向电压v减少为v从而使正向电流比理想情况下电流小减小得越厉害其具体计算可得在势垒区和扩散区之外的电中性区实际总存在一定的串联电阻rs因此当外加电压加在pn结之后会有一定的电压降irs所以加在势垒区的电压为virs从而使pn结的正向电流比理想情况减小如果rs较大则当电流很大时irsv这时pn结的正向iv特性就近似于线性了
平衡pn结中的电势和电势能
6.1 pn 结及其能带图
4. pn结中电场、电势和电荷分布
内建电势Vbi：热平衡条件下的耗 尽区电压称为内建电势，它是一
个非常重要的结常数。
Vbi V (xn ) V ( x p )
1 q
[
E
c
(
x
p
)
Ec (xn )
1 q
[
E
i
(
x
p
)
Ei (xn )
隧穿发生的两个条件：
1、势垒一边有填充态，另
2.1 PN结与二极管(1)
半导体在4族元素本征半导体硅中掺入5族元素(砷、磷)。
在4族元素本征半导体硅中掺入3族元素(硼、铝)。
N型半导体P 型半导体5个电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键电子对后，还多余一个。
3个电子与相邻的硅原子组成共价键电子对，因缺少一个电子，产生了一个空位（空穴）。
半导体P N结的形成扩散运动内电场E i漂移运动势垒层/耗尽层扩散=漂移正向接法(扩散运动增强)半导体P N结的形成I F E/R正向接法(扩散运动增强)反向接法(扩散运动减弱)PN结单向导电！符号：半导体P N结的形成I F ≈E/R I R ≈ 0二极管的V -I 特性表达()1T v V d s i I e =-二极管电流：I s ：反向饱和电流；V T ：PN 结温度电压当量 (室温下，V T =26 mV)。
7理论值实际值V RBR ：反向击 穿电压V th ：阈值电压阈值电压反向击穿电压d Si I =-反向时的表达式：/T V V d S i I e ≈正向时的表达式：i d +v F _电力二极管平板式电力二极管二极管模块•最大允许反向重复峰值电压•额定电流•最大允许的全周期均方根正向电流•最大允许非重复浪涌电流•最大允许的PN结结温和管壳温度•结－壳、壳－散热器热阻• 反向恢复时间额定电流额定电流 I FR：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值 。
最大允许均方根正向电流最大允许均方根正向电流：当二极管流过半波正弦电流的平均值为 I FR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流 I Frms。
转换关系由额定电流和最大允许均方根正向电流的公式，得：如手册上某电力二极管的额定电流为100A ，说明：l 允许通过平均值为100A的正弦半波电流；l 允许通过正弦半波电流的幅值为314Al 允许通过正弦半波电流的有效值为157A的电流。
l 允许通过任意波形的有效值为157A的电流。
m Frms I I 21=mFR I I π1=电力二极管的主要应用n 整流（普通二极管）¡«D1D2D3D4V DCV AC （a）整流（b）续流D L i S V S R R¡«D1D2D3D4V DC V AC （a）整流（b）续流D L i S V S R R n 续流（高频二极管）n PN级（二极管）是单向导电的n电力二极管需要承受高电压，流过大电流n电力二极管的参数选择与应用场合密切相关。
PN结与二极管原理解析
④ 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做
一维运动； ⑤ 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度
远小于多子浓度。
Low-level injection
2.2.1 PN结的正向偏置特性
1、正偏能带变化图
EFp Ev Ei EFp p0 Nv exp ni exp NA kT kT
NA Ei EFp KT ln ni
即有
kT N D N A UD ln q ni2
式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度； UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的 电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。 NA=1017/cm3 ND=1015/cm3
2
少子 反向偏置时，
边界
漂移大于扩散 由于反向抽取， 边界处少子浓度 低于平衡值 。
扩散长度
KT 由于反向 PN 结外加反向偏压U的数值一般比 大很多，即有 q KT U ，因此 e q
qU KT
0，所以边界处的少子浓度为：
P( X N ) 0 n( X P ) 0
反向电流的转换和传输
室温下，硅的 U D = 0.70 V， 锗的 U D = 0.32 V
2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布
自建电场
n:电子 p:空穴
多子
空间电荷区
扩散区
多子 分布按指数规律变化 少子
物理实验讲义实验11 半导体二极管伏安特性的研究
实验3 半导体二极管伏安特性的研究世界上的物质种类繁多，但就其导电性能来说，大体上可分为导体、绝缘体和半导体三类。
某些物质，如硅、锗等，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，被称为半导体。
半导体之所以引起人们极大的兴趣，原因并不在于它具有一定的导电能力，而在于它具有许多独特的性质。
同一块半导体材料，它的导电能力在不同的条件下会有非常大的差别，比如，在很纯的半导体中掺入微量的其他杂质，它的导电性能将有成千上万倍地增加，并且可以根据掺入杂质的多少来控制半导体的导电性能。
人们正是利用半导体的这种独特的性质做出了各种各样的半导体器件。
本实验通过对常用的半导体器件—二极管特性的研究，了解PN结的特性、结构和工作原理，并测量二极管的部分参数。
【实验目的】1、了解PN结产生的机理和它的作用。
2、学习测量二极管伏安特性曲线的方法。
3、通过实验，加深对二极管单向导电特性的理解。
【仪器用具】HG61303型数字直流稳压电源、GDM-8145型数字万用表、滑线变阻器、FBZX21型电阻箱、C31-V型电压表、C31-A型电流表、FB715型物理设计性实验装置、可调电阻及导线若干、普通二极管、发光二极管、稳压二极管等【实验原理】1.电学元件的伏安特性在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。
一般以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压-电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。
对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1的直线a。
至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1的曲线b、c。
伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。
第二章 PN结二极管及其应用
点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许 的电流小，最高工作 频率高。
面接触型：结面积大， 结电容大，故结允许 的电流大，最高工作 频率低。
平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率 高，大的结允许的电 流大。
电子线路
2、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u)
当 PN 结正向偏臵时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏臵时，回路中反向电流非常小， 几乎等于零， PN 结处于截止状态。
可见， PN 结具有单向导电性。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子线路
思 考
PN结耗尽层物理位臵是不是一定沿交界面中心线对称？
P
N
电子线路
5、PN 结的电容效应
3. 二极管的反向击穿特性
热击穿——不可逆
雪崩击穿
齐纳击穿
电击穿——可逆
雪崩击穿---碰撞电离：反向电压足够高时， 空间电荷区的合成电场较强，倍增效应！ 齐纳击穿----电场击穿：当反向电压 足够高，空间电荷区中的电场强度达
到105V／cm以上；场致激发！ 低掺杂PN结，雪崩击穿主要的，击穿电压>6V；重掺杂PN结中，齐纳击
电子线路
上节回顾：二极管的导电特性
二极管定性描述
单 向 导 电 性 电 容 反 向 击 穿 特 性 相互 印证 伏安特性曲线
反 向 击 穿 导 通
击穿 电压 反向饱 和电流
二极管定量描述
电流方程
正向 导通 导通
电压
指标参数 直 流 电 阻 交 流 电 阻
效
应
i IS (e
u UT
1)
pn结物理特性实验报告
pn结物理特性实验报告PN结物理特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型半导体材料的结合而成。
PN结具有许多重要的物理特性，如整流、放大、开关等，对于电子学领域的发展具有重要意义。
本实验旨在通过实际操作和数据测量，深入了解PN 结的物理特性。
实验目的：1. 理解PN结的基本原理和结构特点；2. 掌握PN结的正向和反向特性；3. 通过实验测量，探究PN结的电压-电流关系；4. 分析PN结的整流特性以及其在电路中的应用。
实验仪器和材料：1. PN结二极管2. 直流电源3. 电压表4. 电流表5. 电阻箱6. 连接线实验步骤：1. 将PN结二极管连接到直流电源的正负极，并将电压表和电流表连接到二极管的正向和反向端口；2. 通过调节电源的电压，测量PN结在不同电压下的正向电流和反向电流；3. 记录实验数据，并绘制出PN结的电压-电流特性曲线；4. 利用电阻箱连接到PN结电路中，观察PN结的整流特性，并记录实验现象。
实验结果与分析：在实验过程中，我们测量了PN结在不同电压下的正向电流和反向电流，并绘制了电压-电流特性曲线。
实验结果显示，当电压为正向时，PN结的电流呈指数增长的趋势，而当电压为反向时，PN结的电流几乎为零。
通过分析实验数据，我们可以得出以下结论：1. PN结的正向电流与电压成指数关系，符合热激发理论；2. PN结的反向电流非常小，可以近似看作是零；3. PN结具有较高的整流特性，可以用作电路中的整流器件。
结论：通过本次实验，我们深入了解了PN结的物理特性。
PN结作为半导体器件中最基本的结构之一，具有重要的应用价值。
通过测量和分析，我们发现PN结的正向电流与电压呈指数关系，反向电流非常小。
此外，PN结还具有较高的整流特性，可以在电路中充当整流器件。
通过实验，我们不仅加深了对PN结物理特性的理解，还掌握了实验测量的方法和技巧。
这对于今后深入研究半导体器件和电子学领域具有重要意义。
电子器件中的PN结与二极管原理
电子器件中的PN结与二极管原理电子技术已经成为人类社会中不可或缺的一部分，而电子器件的核心则是半导体材料。
半导体材料之所以成为八十年代以来最热门的领域之一，是因为它既有导体的特性，也有绝缘体的特性，这使得这些材料既可以传递电流，还可以隔离电流，具有非常广泛的应用。
其中，PN结和二极管是半导体器件中最基础且最重要的组成部分。
PN结PN结是半导体器件中最基本的元件，它由p型半导体和n型半导体结合而成。
其中p型半导体就是一种由掺入了少量杂质的硅元素而形成的半导体。
掺入硅元素主要是因为硅元素与半导体中所含有的四价元素（如硒，锗等）的原子半径相似，这使得硅元素很容易将自己嵌入到半导体的晶格中。
n型半导体的掺杂方式则是将五价元素（如磷，氮等）引入半导体中，这些五价元素中的外层电子能搭上半导体中的四价电子而形成电子互补配对，电子释放出来，会增加材料导电性质。
交汇p型半导体和n型半导体时，就会形成PN结，这种结构既具有p型半导体的优点，又具有n型半导体的优点，因此，可以使用PN结来制造各种半导体器件。
PN结的原理在PN结中，电子可以从n型半导体的区域自由穿过PN结，到达p型半导体的区域，而空穴可以从p型半导体的区域自由穿过PN结，到达n型半导体的区域。
但是当电子从n型半导体穿过PN结到达p型半导体时，将会遇到一个固定在PN结的中心点的电势位移，要克服这个电势差，电子需要释放出一些能量并通过PN结。
当电子通过PN结时，它们可能会与p型半导体中的某个空穴发生碰撞，这些碰撞会将电子和空穴结合成为一个新的体，这一现象被称为“复合现象”。
当电子流通过PN结时，它们会把能量转移给周围的原子，这些能量使得周围的原子激活并开始震动。
当这些原子振动时，它们就会放出一些光子（即光）。
这些发出的光线就是我们通常所说的辐射，这种辐射在半导体医疗仪器上具有非常重要的应用，在日常生活中则被广泛用于LED照明。
二极管原理二极管是一种半导体器件，也是由PN结组成。
pn结正向特性实验报告
pn结正向特性实验报告实验目的：本实验旨在通过实验测量和分析，掌握pn结二极管的正向特性曲线，了解pn 结二极管的正向电压-电流关系，以及正向电压对二极管导通特性的影响。
实验仪器和设备：1. 示波器。
2. 直流稳压电源。
3. 脉冲信号发生器。
4. 二极管。
实验原理：pn结二极管在正向电压作用下，电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散，当二者相遇时，发生复合，使得p区和n区的空穴浓度和电子浓度减少。
当二极管正向电压增大时，电子和空穴的扩散速度增大，扩散电流也随之增大。
当正向电压增大到一定程度时，扩散电流迅速增大，二极管进入饱和状态，此时扩散电流几乎不再随电压变化而变化。
在实际的正向电压作用下，二极管的特性曲线呈现出指数增长的趋势。
实验步骤：1. 将示波器、直流稳压电源和脉冲信号发生器连接好。
2. 将二极管连接到电路中，并通过直流稳压电源施加不同的正向电压。
3. 调节脉冲信号发生器，产生不同频率和幅度的脉冲信号。
4. 使用示波器观察并记录二极管的正向特性曲线。
实验数据处理：1. 根据实验记录的数据，绘制出二极管的正向特性曲线。
2. 分析曲线的变化趋势，计算出二极管的正向电压-电流关系。
3. 对实验数据进行统计和分析，得出结论。
实验结果：通过实验测量和分析，我们得到了pn结二极管的正向特性曲线。
曲线呈现出指数增长的趋势，当正向电压增大时，电流也随之增大。
在一定电压范围内，二极管呈现出非线性的特性，随着电压的增大，电流增大的速度逐渐减缓，最终趋于饱和状态。
结论：通过本次实验，我们深入了解了pn结二极管的正向特性，掌握了二极管正向电压-电流关系的规律。
实验结果表明，在正向电压作用下，二极管的导通特性受到电压的影响，电流随电压呈指数增长的趋势，最终趋于饱和状态。
实验总结：本次实验通过测量和分析，深入掌握了pn结二极管的正向特性曲线，了解了正向电压对二极管导通特性的影响。
实验结果对于我们进一步理解和应用pn结二极管具有重要的意义。
Pn结与二极管的实验指导
Pn 结与二极管的实验指导一、实验题目：Pn 结与二极管 二、实验目的：1、对半导体二极管的伏安特性有一些感性认识，测绘二极管伏安特性曲线；2、了解Pn 结正向压降随温度变化的基本关系，了解Pn 结测温原理；测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。
三、实验原理：1、晶体二极管的导电特性晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。
正向导通电压小（锗管约0.3V ，硅管约0.5V ）,反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）相差很大（几伏到几百伏）。
当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大，此时，欧姆定律对二极管不成立。
在这次实验中，就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。
测量电路如下：注：学生只做外接法2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。
Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。
Pn 结温度传感器的原理如下：Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数：(0)(ln)ln g FrF kB k V V T T e I e =--其中，e 是电子电荷，k 是波尔兹曼常数，B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常数，r 是常数（ 3.4r ≈），T 是绝对温度，V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。
图2二极管反向伏安特性测量线路图1二极管正向伏安特性测量线路电源约1V(a) mA 表外接(b) mA 表内接 (a) mA 表外接(b) mA 表内接上式中有两项，线性项：(0)(ln)g FL k B V V T eI =-，非线性项：ln rN L k V Te=-可以证明，在恒流供电情况下，当温度较高（室温）时，Pn 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项L V ，即Pn 结正向压降随温度升高而线性下降，这就是Pn 结测温原理。
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Pn 结与二极管的实验指导
一、实验题目：Pn 结与二极管 二、实验目的：
1、对半导体二极管的伏安特性有一些感性认识，测绘二极管伏安特性曲线；
2、了解Pn 结正向压降随温度变化的基本关系，了解Pn 结测温原理；测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。
三、实验原理：
1、晶体二极管的导电特性
晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。
正向导通电压小（锗管约0.3V ，硅管约0.5V ）,反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）相差很大（几伏到几百伏）。
当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大，此时，欧姆定律对二极管不成立。
在这次实验中，就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。
测量电路如下：
2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。
Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。
Pn 结温度传感器的原理如下：
Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数：(0)(ln )ln g F r
F k B k V V T T e I e =--
其中，e 是电子电荷，k 是波尔兹曼常数，B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常
数，r 是常数（ 3.4r ≈），T 是绝对温度，V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。
上式中有两项，线性项：(0)(ln )g F
L k B V V T e I =-，非线性项：ln r
NL k V T e =-
图2二极管反向伏安特性测量线路
图1二极管正向伏安特性测量线路
(a) mA 表外接
(b) mA 表内接 (a) mA 表外接
(b) mA 表内接
可以证明，在恒流供电情况下，当温度较高（室温）时，Pn结的V F对T的依赖关系取决于线性项
V，即Pn结正向压降随温度升高而线性下降，这就是Pn结测温原理。
L
四、实验仪器：
1、仪器记录
电阻元件V-A特性实验仪；Pn结正向压降特性实验仪；加热测温装置。
2、仪器使用实验注意事项：
（一）、电阻元件V-A特性实验仪的使用：
（1）、在测量中电流不得大于2 mA.
（二）、Pn结正向压降特性实验仪的使用：
（1）、仪器的连线较多，芯线较细，所以要注意使用，不可用力过猛。
（2）、除加热线无极性区别外，其余都有极性区别，连接时不要接反。
特别注意，加热线绝对不要接错位置，否则一定会损毁仪器的。
（3）、加热装置温度不要超过100o C,长期过热使用，会造成连接线老化。
（4）、使用完毕后切断电源。
五、实验内容和步骤：.
1、测定正向特性曲线[只做外接，不做内接]
依照图1，正确连接线路后，打开电源开关，将电源电压的粗调调至最小位置，逐步减小限流电阻，直到毫安表显示1.9999mA为止，（小数点后第四位不稳定，只需调出三个九即可）记下相应的电流和电压。
然后调节电源或限流电阻，将电压表最后二位读数调成0，记录电压，电流。
以后按每降低0.0100V测一次数据，直到电流值降到千分位为止（进入截止区）。
正向电流不用修正。
2、测定反向特性曲线
依照图2，正确连接线路后，接通线路开关，将电源电压调至最大，逐步减小限流电阻，直到毫安表显示1.9999mA（小数点后第四位不稳定，只需调出三即可）为止，个记下相应的电流和电压。
然后调节电源电压或者限流电阻，在将电流调节为 1.8006，1.6006，1.4006、……….mA的情况下，记录相应的电压；其中0.0006mA为伏特计的电流，记录电流时应该自行减去。
3、测绘Pn结正向压降随温度变化的曲线。
（1）加热装置上共有两组连接线，侧向引出一组线，是加热线，共有两根芯线，与Pn结正向压降特性实验仪面板上的（加热电流输出端子）“12”端子相连（可以不计正负）；特别注意，加热线绝对不要接错位置，否则一定会损毁仪器的。
另一组从顶部引出，共六根芯线；
其中两根(有一根是黄色)自成一组，是测温信号线，黄色为正，黑色为负，与面板的“5”（温度传感器输入端子）端子的正负相连（正负不能接错）；
另外四根和“8”（Pn结导通电流I F输出端子），“9”（Pn结电压输入端子）端子的正负相连（红正黑负正负不能接错）。
（2）将控温电流旋钮旋到最小位置，打开测量仪的电源，记录室温T S ;
(3)按下“I F””键，将I F调到50微安；按下“V F”键，记录V F，按下“△V”键，将△V调到零。
（4）将加热电流调到350mA，观测△V的变化，△V每改变10 mv读取一组△V、T值，直至温度达到100 o C为止。
Pn结正向压降实验仪面板：
图中：1、Pn结温度测量显示；2、Pn结△V，V F I F测量显示3、加热电流显示
5、温度传感器输入端子；
6、Pn结导通电流I F调节旋钮；
7、△V调零旋钮；
8、Pn结导通电流I F输出端子9、Pn结电压输入端子；10、△V，V F I F显示选择开关
11、加热电流调节旋钮；12、加热电流输出端子
六、数据记录：
1、二极管的正向特性
表格1
2、二极管的反向特性
实验室起始温度：T S = ℃
工作电流：I F= μA
起始温度时的正向压降V F= mv
七、数据处理：
1、作出晶体二极管的伏安特性曲线图[正向，反向及内接外接]；
2、作出Pn结正向压降随温度变化的曲线图。
八、实验结论与讨论：
九：问答题：
1、为什么反向伏安特性曲线要进行电流修正?
2、在上述实验中,为何要将电压表内接, 若将电流表内接有何不便?已知电流表内阻约为98 。
3、在正向特性曲线中，为何要将电压表的最后一位调为零？能否将反向特性曲线实验中的电压表最后一位读数都调为零？（结合实验数据回答）。