PN结的伏安特性与温度特性测量
PN结温度特性与伏安特性的研究
实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。
此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。
PN结特性试验报告
PN结正向电压温度特性研究五、实验内容与步骤1．测量PN 结正向伏安特性曲线。
由式（4）可以看出，在温度不变的条件下，PN 结的正向电流IF与电压VF呈指数曲线关系，本实验要求绘出室温和t=40℃两条PN 结伏安曲线。
用坐标纸绘出相应曲线。
2．测量恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
本实验要求测出IF=50μA 条件下PN 结正向电压随温度变化曲线。
实验中每隔5℃测一个数据，直至加热到85℃。
要先记下室温时PN 结的电压V F值。
用坐标纸绘出相应曲线。
3．确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
（1）以t 作横出坐标，V F作纵坐标，作t-VF曲线。
正确地采用两点式求斜律的方法，计算PN结温度传感器的灵敏度S六、实验数据与处理1、PN 结正向伏安特性曲线表一：注I=50μA时，U=483mV电压/V0.250.2750.30.3250.350.3750.40.4250.45室温电流/μA0.50.9 1.63 5.49.315.223.133.3 40度电流/μA 1.6 2.8 4.98.213.320.830.241.153.9绘制成曲线如下系列2为40度时的伏安特性曲线，系列一为室温（25.1度）时的伏安特性曲线由计算机进行拟合可知，I-U满足指数关系的可信度很高。
2、恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系曲线。
表二注：I=50μA 室温25.1℃时U=483mV温度/℃40455055606570758085电压/mV443415406391373356344334319308计算机绘图如下：曲线拟合得U=-2.9t+551.1（mV）,相关系数R2=0.9902，可信度很高即灵敏度S=2.9mV/℃计算得V F(t0)=478.3mV由可以算出禁带宽度Eg（t0）=1.34eV与理论值1.21eV的相对误差为（1.34-1.21）/1.21*100%=11%七、误差分析1、测量U-T曲线时，升温过快导致调节电流不及时；2、温度计示数有一定延迟。
pn结的伏安特性与温度特性测量(精)
PN结的伏安特性与温度特性测量半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。
使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温U与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并电桥，测量PN结结电压be近似求得0K时硅材料的禁带宽度。
【实验目的】1、在室温时，测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。
2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。
3、学习用运算放大器组成I-V变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。
U与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。
4、测量PN结结电压be5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。
【实验仪器】FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。
【实验原理】1、PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足：[]1/0-=KT eU e I I (1)式(1)中I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。
由于在常温(300K)时，kT /e ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：KT eU e I I /0= (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I-U 关系值，则利用(1)式可以求出e /kT 。
PN结正向伏安特性与温度的研究
温度对pn结正向伏安特性的实验研究
实验设备
需要使用恒温箱、电流表、 电压表等设备，以及pn 结二极管样品。
实验步骤
在恒温箱中设定不同的温度， 测量不同温度下的正向电压和 电流值，记录数据并进行分析 。
实验结果
通过实验数据可以观察到随 着温度升高，正向电流增大 ，正向电压略有减小。
温度对pn结正向伏安特性的应用前景
Part
02
pn结正向伏安特性
pn结正向伏安特性的定义与原理
定义
pn结正向伏安特性是指在正向偏置 条件下，pn结的电压-电流关系特性 。
原理
当外加正向电压时，pn结内部的电场 被削弱，电子和空穴的扩散运动增强 ，形成正向电流。随着正向电压的增 加，正向电流也相应增加。
影响pn结正向伏安特性的因素
研究不足与展望
01 02 03
实验条件限制
虽然实验结果与理论模型基本一致，但由于实验条件的限 制，部分高温度下的数据点存在一定的误差。未来可以通 过改进实验设备和方法，提高实验数据的准确性和可靠性 。
理论模型简化
为了简化分析，本研究采用了简化的理论模型。然而，实 际pn结的物理过程可能更加复杂，涉及到更多的物理效应 。未来可以进一步完善理论模型，以更准确地描述pn结的 物理特性。
感谢您的观看
STEP 03
能源转换
STEP 02
利用pn结正向伏安特性随温 度变化的特性，可以开发新型 能源转换器件，如热电转换器 等。
STEP 01
电子器件优化
了解温度对pn结正向伏安特 性的影响，有助于优化电子器 件的性能，提高其稳定性。
温度传感器
利用pn结正向伏安特性随温 度变化的特性，可以制作温 度传感器，用于测量温度。
PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究
PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究随着半导体元件的不断发展，越来越多的应用场景需要对PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性有更深入的了解。
本文将通过理论分析和实验验证的方式，对这两个特性进行详细研究。
首先，我们来看PN结正向压降温度特性。
PN结的正向压降是指在正向偏置的情况下，PN结两端的电压降。
正向压降与PN结内的载流子浓度有关，载流子浓度越高，正向压降越小。
同时，温度的变化也会对正向压降产生影响。
一般来说，正向压降随着温度的升高而减小。
这是因为在高温下，载流子浓度会增加，使得PN结内电场的分布变得更加均匀，从而减小了正向压降。
但是，在非常高的温度下，由于载流子的热激发效应，反向偏置电压也会增加，进而导致正向压降的增加。
因此，在设计半导体元件时需要考虑温度对正向压降的影响。
其次，我们来看PN结的正向伏安特性。
正向伏安特性描述了PN结在正向偏置下的电流与电压之间的关系。
根据欧姆定律，正向电流与正向电压成正比，即I = Is * (exp(qV / (nkT)) - 1)，其中I为正向电流，V 为正向电压，Is为逆饱和电流，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，n为器件的非理想因子。
从这个公式可以看出，正向电流与温度成正比，也就是说，随着温度的升高，正向电流也会增加。
这是因为在高温下，载流子的热激发效应增强，使得正向电流增大。
但是，需要注意的是，当温度达到一定值时，PN结可能会因为过热而损坏。
为了验证以上理论分析，我们进行了实验研究。
首先，我们搭建了一个实验平台，用来测试PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性。
实验中，我们分别采用了不同的温度和正向偏置电压，测量了PN结两端的电压和电流。
实验结果与理论分析基本吻合，验证了我们的理论模型的准确性。
综上所述，PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性对于半导体元件的设计和使用非常重要。
了解这两个特性的变化规律可以帮助我们选择合适的工作温度和正向偏置电压，以确保半导体元件的正常工作。
FD-PN-4 PN结物理特性综合实验仪说明书
FD-PN-4PN 结物理特性综合实验仪（扩散电流c I 与结电压eb U 关系，结电压eb U 与温度T 关系）说 明 书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海FD－PN－4型PN结物理特性综合实验仪（PN结的伏安特性与温度特性测量仪）一、概述半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。
本仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压U与热力学温度T关系，求得be该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。
本仪器提供实验物理内容丰富、概念清晰、测量结果准确度高。
本仪器主要供大专院校普通物理实验教学用。
仪器稳定可靠，结构设计合理，很适用于教学用。
二、用途1、测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。
2、较精确地测量玻尔兹曼常数。
(误差一般小于2%)3、学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。
4、测量PN结结电压U与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。
be5、近似求得0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。
三、仪器组成及技术特性本仪器由四部分组成：1、直流电源±15V直流电源一组，即[+15V—0V(地)—-15V]；1.5V直流电源一组2、数字电压表三位半数字电压表0—2V一只；四位半数字电压表0—20V一只；3、实验板由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。
TIP31型三极管外接。
4、恒温装置干井式铜质可调节恒温恒温控制器控温范围，室温至80℃；控温精度0.01℃；5、测温装置铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃（Ω=00.100R）。
四、保养和维护1、接±12V或±15V，但不可接大于15V电源。
PN结的伏安特性与温度特性测量
PN结正向压降与温度特性的研究【实验目的】1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。
2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。
【实验仪器】1. pn结物理特性实验仪。
2. 保温杯。
3. 开水、冰块等。
【实验原理】1.理想的pn结正向电流IF 和压降VF 存在如下近似关系式中，q 为电子电量，K=1.38×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小其中C 是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；γ是热学中的比热比，也是一个常数；Vg(0)是热力学温度T=0 时，PN 结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。
将式(2)带入式(1)，两边取对数可得（3）其中，。
式(3)是PN 结温度传感器的基本方程。
当正向电流IF 为常数时，V 1 是线性项，Vn 1 是非线性项，这时正向压降只随温度的变化而变化，但其中的非线性项Vn 1引起的非线性误差很小(在室温下，γ=1.4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV)。
因此，在恒流供电情况下，PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V 1，即在恒流供电情况下，正向压降VF 随温度T 的升高而线性地下降，这就是PN 结测温的依据。
我们正是利用这种线性关系来进行实验测量。
必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50℃—50℃，若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF —T 的关系将产生新的非线性。
更为重要的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的高低有所不同，非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度，使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段，这是PN 结温度传感器的普遍规律。
PN结正向伏安特性随温度变化的实验设计
PN结正向伏安特性随温度变化的实验设计周党培;陈业仙【摘要】讨论了不同温度下PN结的正向伏安特性的测量方法,设计了利用TH-J 型PN结正向压降温度特性测试仪研究PN结正向伏安特性曲线随温度变化的实验,定性地分析了PN结正向伏安特性随温度变化的规律;利用Excel进行指数拟合测定了波尔兹曼常数,并确定了常温下PN结的反向饱和电流,从而定量地描述PN结的正向伏安特性曲线,取得了较为准确的实验结果。
%The measuring method of positive volt-ampere characteristics of PN junction at different temperature is introduced.The experiment of variation of positive volt-ampere characteristics of PN junction with temperature based on the instrument of model TH-J which is used to research the relation of PN junction forward voltage drop and temperature is designed.The Boltzmann constant and the reverse saturation current of the PN junction on normal temperature are measured.The positive volt-ampere characteristics of PN junction and its variation with temperature can be described quantitatively and qualitatively,and the good experiment results are reached.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2012(010)002【总页数】4页(P11-14)【关键词】PN结;正向伏安特性;波尔兹曼常数;反向饱和电流;物理实验【作者】周党培;陈业仙【作者单位】五邑大学物理实验中心,广东江门529020;五邑大学教务处,广东江门529020【正文语种】中文【中图分类】O475近年来，环保节能成为了人们的热点话题，半导体照明作为新一代节能光源备受关注，因此LED相关专业如雨后春笋般在工科院校中争相开设，半导体物理相关知识自然成了工科学生普及教育的一个重要内容，然而由于种种原因，相应的实验教学却显得有点滞后。
PN结正向伏安特性与温
03
工业自动化
在工业自动化领域，热敏电阻广泛应 用于各种温度测量和控制系统，以确 保生产过程中的温度参数符合要求。
温度传感器
生物医疗
温度传感器在生物医疗领域具有广泛的应用，例如体温计、红外成像仪等。这 些设备利用pn结正向伏安特性和温度特性来检测人体的温度变化，对于疾病诊 断和治疗具有重要意义。
环境监测
其正向伏安特性和温度特性。
拓展应用领域
03
新型半导体材料的出现，将为pn结的应用领域带来新的拓展，
例如在光电子、生物医学等领域的应用。
pn结伏安特性与温度特性的理论模型研究
建立精确模型
为了更好地理解pn结的伏安特性和温度特性，需要建立更为精确 的理论模型。
揭示内在机制
通过理论模型的研究，可以深入揭示pn结伏安特性和温度特性的 内在机制，为优化其性能提供理论支持。
储能技术
随着新能源技术的发展，储能技术成为研究 的热点，pn结在储能技术中也有着重要的应 用价值。
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齐纳击穿
在反向偏置电压下，当电压增大到一定值时，少 数载流子浓度达到一个临界值，导致电流剧增， 这种现象称为齐纳击穿。
正向击穿电压
正向击穿电压是pn结在正向偏置下所能承受的最 大电压，超过此电压将导致电流剧增。
正向伏安特性的物理机制
多数载流子的扩散
运动
在正向偏置下，多数载流子在电 场的作用下向结区扩散，形成正 向电流。
pn结正向伏安特性与 温度特性
目录
• pn结正向伏安特性 • pn结温度特性 • pn结正向伏安特性与温度特性的应用 • 实验研究与测量方法 • 展望与未来研究方向
01
大学物理实验报告23——PN结温度传感器特性1
天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（fR 称反馈电阻）。
因而有：0(1)i i s ffU U U K I R R -+==(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为1i f f x sU R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图1MLF356-+74+15V-15V236ecbV 1V 2100Ω1.5VTIP31TIP31ebc LF35612348765R fI sK o-+U 0U iZ rI s图2 电流－电压变换器i s frU UI Z R ==-(6)只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
实验 17 半导体 PN结伏安特性和温度特性研究
常数。 但对任意一对 V 和 I 来说， 其比值仍表示对应的电阻值。 在图 17－2 中， A 点 RA＝
U be ， I be源自- 98 -B 点 RB＝
U be ，显然它们是不相等的。这里的电阻应理解为静态电阻。A 点或 B 点为某 PN I be
结的直流偏置点（或叫工作点） 。 在 A 点或 B 点左右电压 V 有△V 变化时，就必然引起电流 I 有Δ I 的变化,△V 和△I 之比 V 即为在工作点 A 或 B 处的动态电阻，由图中可见，静态电阻 RA＝ A 为 A 点与原点直线斜率 IA V 的倒数，动态电阻 RA′＝ A 则为通过 A 点的切线斜率的倒数。 I A 对于 PN 结或更为复杂的电子元件如运算放大器等电子元件， 用静态参数描述其电气特性 已经不方便、不全面了，一般采用特征参数和特性曲线结合来描述其电气特性。 对于给定的 PN 结，在给定温度 T 下，PN 结电压 Ube 与 PN 结电流 Ibe 的关系曲线为该 PN 结在该温度下的伏安特性曲线； 在给定电流 Ibe 的情况下，PN 结电压 Ube 与温度 T 的关系为该 PN 结在该恒定电流情况 下的温度特性曲线； 伏安特性曲线和温度特性曲线是两种最常用的 PN 结特性曲线，同样我们还能测定 PN 结 的其它特性曲线。
半导体 PN 结伏安特性和温度特性研究
河海大学物理实验中心
目 的 1． 学习掌握测定 PN 结电气特性的方法； 2． 测定半导体 PN 结（晶体三极管）伏安特性曲线； 3． 测定半导体 PN 结（晶体三极管）温度特性曲线，测定 PN 结温度系数； 4． 学习掌握用特性曲线描述元件电气性能的方法，掌握实验作图法； 原 理 当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻。 一般金属导体电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线， 如图 17－1。从图上看出，直线通过一、三象限，它表明当调换电阻两端电压的极性时，电流 换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数 tg ＝ I ＝ 1 。所以，R＝ V ＝常数，斜
【精品】PN结正向伏安特性与温度的研究
【精品】PN结正向伏安特性与温度的研究PN结是半导体器件中最常见的结构，其正向伏安特性与温度的关系是半导体器件设计中需要考虑的重要问题。
本文通过实验研究，探究PN结正向伏安特性与温度的变化规律。
实验步骤：1.将PN结与直流电源连接，并在电路中设置一个恒流源。
2.使用万用表测量PN结正向电流和正向电压，并记录数据。
3.将PN结置于不同的温度环境中，如常温、高温、低温等，并测量PN结在不同环境下的正向电流和正向电压。
4.根据实验记录的数据，画出PN结正向伏安特性曲线，并分析温度变化对PN结正向伏安特性的影响。
实验结果：一、PN结正向伏安特性PN结正向伏安特性是指PN结在正向偏置下，电流与电压之间的关系。
实验中通过设置一个恒定的恒流源，测量PN结在正向偏置下的正向电流和正向电压，记录下其伏安特性曲线，结果如下图所示。
[图片]PN结正向伏安特性与温度的关系是由于PN结在不同温度下的载流子浓度不同所导致的。
当温度升高时，PN结中的载流子浓度会随之升高，导致PN结正向电流增加。
同时，温度升高也会导致PN结内部电阻降低，从而使得PN结的电压降低，进一步加大正向电流。
通过实验比较PN结在常温、高温和低温情况下的正向伏安特性，结果如下表所示。
| 温度 | 正向电流(mA) | 正向电压(V) ||------|--------------|--------------|| 常温 | 2.5 | 0.6 || 高温 | 3.2 | 0.5 || 低温 | 2.0 | 0.7 |从上表可以看出，PN结在高温情况下正向电流最大，低温下正向电流最小。
这说明PN 结的正向电流与温度呈正相关关系。
同时，PN结在高温情况下正向电压最小，低温下正向电压最大，说明PN结正向电压与温度呈负相关关系。
结论：实验结果表明，PN结正向伏安特性与温度呈明显的相关关系。
随着温度的升高，PN结正向电流增加，正向电压降低。
在半导体器件设计中应考虑PN结温度变化对其正向伏安特性的影响。
PN结伏安特性的测量(实验报告示例)
PN结伏安特性的测量（实验报告示例）重要的事情放在前面：本文大多数内容（包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容、思考题）均源于大学物理实验指导书，并非本人原创，其余均为本人原创。
实验数据均为本人经过实验得出，放在这里是为了展示完整的实验报告，并供读者参考和学习，请端正学习心态，切勿抄袭、无故修改、伪造实验数据！实验报告正文：一、实验目的1.锻炼空间想象、逻辑推理能力。
2.训练应变能力以及强化严谨分析问题的能力和务实的工作作风。
3.形成科学探索研究素养。
4.培养和提高在半导体领域的基本实验测试技术。
二、实验原理半导体分本征和杂质两大类。
纯净的无杂质的半导体称为本征半导体。
在本征半导体中掺入微量的杂质，将显著地改变半导体的特性，成为杂质半导体。
若在锗中掺入百万分之一的砷后，其导电率将提高数万倍。
杂质半导体分空穴型（P型）和电子型（N型）两种。
下面对它们的导电性分别作一些简要的说明。
如图7-1所示，将五价杂质原子砷掺入四价硅（Si）中，砷有五个价电子，其中四个价电子与相邻的硅原子形成共价键，第五个价电子所受的束缚较小，它可环绕带正电的砷离子运动。
砷这类五价杂质称为施主杂质。
由于含有施主杂质半导体的载流子为电子，故掺有施主杂质的半导体也叫做N型半导体。
如图7-2所示，将三价杂质硼（B）掺入到四价半导体锗中，由于硼有三个价电子，它和相邻的锗原子构成共价键时，缺少一个价电子，于是就存在一个带+e电荷的空穴。
这个空穴在带－e电荷的硼离子的作用下，将环绕带负电的硼离子运动。
硼这类三价杂质则称为受主杂质。
由于含有受主杂质半导体的载流子为空穴，故掺有受主杂质的半导体也叫做P型半导体。
当P型半导体和N型半导体相接触时，在它们相接触的区域就形成了PN结。
实验中发现，PN结两端没有外加电压时，半导体中没有电流；当PN结两端加上外电压时，就有电流通过，电流的大小和方向跟外加电压有关。
图7-3是从实验中得出的PN结伏安特性曲线。
PN结正向伏安特性与温度的研究
理论值
1.381× 10 −23 ( J / K )
相对误差
δ=
1.379 − 1.381 1.381 × 100% = 1.4%
创新点： 创新点：
创 新 与 局 限
局限性： 局限性：
在没有恒温设备的条件下，利用现有的简 单仪器，实现了PN结的伏安特性随温度 变化的定性测量。 利用EXCEL的指数函数拟合功能在常温下 实现了玻尔兹曼常数的测定，并取得了较 为准确的实验结果。 实验通过人工调节控温，恒温精度不够。 由于实验仪器较为新旧不一（2001年起 购），离散性较大，不同仪器测量的结果 存在较大的差异。本实验为通过多台仪器 实验后的最佳结果。 实验采用的样品是带金属外壳的三极管， 仪器显示的温度与内部PN结的结温有一 定的偏差，应考虑封装材料的热阻。
利用现有的仪器开发两个与led专业有关的实验1pn结伏安特性随温度变化的规律2玻尔兹曼常数的测定实验原理?根据半导体理论pn结的正向电流与电压满足肖克莱shockley方程1exp?kteviifsf正向电流正向电压某一温度下的反向饱和电流电子电量热力学温度玻尔兹曼常数fifvetksi典型硅二极管的伏安特性曲线1测出某一温度下正向电流与电压即可得伏安特性曲线改变温度则可绘制出伏安特性随温度变化的曲线
五邑大学第九届物理实验设计大赛
PN结正向伏安特性随温度变化 PN结正向伏安特性随温度变化 及玻尔兹曼常数测定 实验设计
廖艺光 黄宝亢 杨晓良 杨家欣 指导老师: 周党培
研究现状：
研 究 现 状 与 目 的
《大学物理实验》现有的实验项目： （1）一定温度下PN结的伏安特性。 （2）PN结正向电压降随温度的变化。
二、玻尔兹曼常数测定数据处理及分析
实 验 结 果 与 分 析
PN结的伏安特性与温度特性测量
PN 结的伏安特性与温度特性测量半导体PN 结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。
使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN 结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN 结结电压be U 与热力学温度T 关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K 时硅材料的禁带宽度。
【实验目的】1、在室温时，测量PN 结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。
2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。
3、学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。
4、测量PN 结结电压beU 与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。
5、计算在0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。
【实验仪器】FD-PN-4型PN 结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c 型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。
【实验原理】1、PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足：[]1/0-=KTeU eI I (1) 式(1)中I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。
由于在常温(300K)时，kT /e ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KTeU e/>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：KTeU e I I /0 (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I-U 关系值，则利用(1)式可以求出e /kT 。
PN结伏安特性
二、PN 结伏安特性------流过PN 结的电流与加在其两端电压之间的关系 1、 加电压后，PN 结内部的物理过程（内特性） （1） 加正向电压（或加正偏压，或正偏） 电源的正极接Ｐ区, 负极接Ｎ区。
（a ）此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相反,空间电荷区两端电压从V B →V B －V ，变小，这样就打破了原有的动态平衡状态, 扩散>漂移，有电流从P →N ，即多子的扩散电流（包括电子扩散电流和空穴扩散电流）形成正向电流。
（b ）使空间电荷区变窄加正向电压使P 区中的多数载流子空穴和N 区中的多数载流子电子都要向空间电荷区运动。
当P 区的空穴和N 区的电子进入空间电荷区后, 就要分别中和一部分负离子和正离子, 使空间电荷量减少, 空间电荷区宽度变窄 （c ）中性区少子分布曲线 从N →P 的自由电子扩散电流A ∝点的少子分布梯度po n ∝从P →N 的空穴扩散电流B ∝点的少子分布梯度no p ∝当是P N +时，po no n p <<， ∴正向电流主要是空穴扩散电流当是N P +时，po no n p >>， ∴正向电流主要是电子扩散电流（2） 加反向电压（或加反偏压，或反偏）a) 此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相同, 空间电荷区两端电压从V B →V B +V ，变大，这样也打破了原有的动态平衡状态,漂移>扩散，少子的漂移电流（包括电子漂移电流和空穴漂移电流）形成反向电流S I ，从N →P 。
b) 使空间电荷区变厚 c) 中性区少子分布曲线由N 到P 的空穴漂移电流大小决定于()n p x 在B 点的梯度，由P 到N 的电子漂移电流大小决定于()p n x 在A 点的梯度d) 反向电流S I 的特点 （i ） 少子浓度很低，∴S I 很小，μA 数量级（ii ） 加大反向电压时，S I 基本不变∴S I 叫反向饱和电流 （iii ）掺杂越浓，,no po p n 越小，∴S I 越小P N V -P NV --X X PN-X X PN（iv ）温度T ↑时，,no po p n ↑↑S I ∴↑2、 PN 结伏安特性（外特性）不管内部物理过程，只管外加电压和电流之间的关系 注意：图上标的都是规定的电流的正方向和电压的极性 由PN 结理论可以证明，正反向特性可以统一表示为：(1)TV V S I I e =-，其中：S I 为反向饱和电流；26T KTV mV q=≈，为热电压 （1） 正向（正偏）T V V >>或100V mV >时，1TV V Ve>>TV V S I I e ∴=，或lnT SI V V I = 特点：（a ） 有导通电压()D on V ，当()D on V V <时，0I ≈（b ） 当()D on V V >时，V 的变化引起I 的急剧变化，V 每增大60mV ，I 增大10倍。
pn结的伏安特性实验报告
pn结的伏安特性实验报告pn结的伏安特性实验报告引言：伏安特性是电子学中非常重要的一个概念，它描述了电流和电压之间的关系。
本实验旨在通过测量pn结的伏安特性曲线，探究pn结的导电特性以及其在电子器件中的应用。
实验目的：1.了解pn结的基本结构和原理；2.测量和分析pn结的伏安特性曲线；3.探究pn结在电子器件中的应用。
实验仪器和材料：1.直流电源；2.数字电压表；3.电流表；4.二极管（pn结）；5.电阻；6.导线。
实验步骤：1.搭建实验电路：将二极管连接到直流电源的正负极，同时将电流表和电压表接入电路中；2.调节直流电源的电压，从0V开始逐渐增加，同时记录电流表和电压表的读数；3.重复步骤2，直到电压达到一定范围。
实验数据记录与分析：在实验过程中，我们记录了不同电压下的电流值，并绘制了伏安特性曲线图。
根据实验数据，我们可以观察到以下现象和规律：1.在正向偏置下，当电压逐渐增加时，电流呈指数增长的趋势；2.在反向偏置下，当电压逐渐增加时，电流基本保持在一个很小的范围内；3.在正向偏置下，当电压达到一定值后，电流开始急剧增加，此时二极管进入正向击穿状态。
根据以上观察结果，我们可以得出以下结论：1.在正向偏置下，二极管具有正向导电性，电流与电压呈指数关系；2.在反向偏置下，二极管具有很高的阻抗，电流几乎不流过；3.正向击穿是pn结的一种特性，当电压达到一定值时，会出现电流突增的现象。
实验结果的分析与讨论：根据实验结果，我们可以进一步分析和讨论pn结的导电特性以及其在电子器件中的应用。
首先，由于pn结具有正向导电性，可以将其应用在整流电路中。
通过合理选择二极管的材料和参数，可以实现将交流电转化为直流电的功能。
其次，pn结在电子器件中还可以用作光电二极管。
当光照射到pn结上时，会产生光电效应，使得pn结的导电特性发生变化。
这种特性可以应用在光电传感器、光电开关等领域。
此外，pn结还可以用于温度传感器。
由于温度的变化会影响pn结的导电特性，通过测量pn结的伏安特性曲线，可以实现温度的测量和控制。
pn结伏安特性 实验报告
pn结伏安特性实验报告PN结伏安特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，其特性对于电子学领域的研究和应用具有重要意义。
本实验旨在通过测量PN结的伏安特性曲线，了解PN结的电流-电压关系，并探究其物理特性。
实验装置和方法：实验所用的装置包括PN结二极管、直流电源、电流表和电压表。
首先，将PN 结二极管正确连接到电路中，保证正极连接到P区，负极连接到N区。
然后，通过调节直流电源的电压，逐渐增大电压值，并记录下相应的电流值。
实验过程中，要注意保持电流表和电压表的精确度，以确保实验结果的准确性。
实验结果：在实验过程中，我们逐渐增加电压，记录下相应的电流值。
根据实验数据，我们绘制出了PN结的伏安特性曲线。
曲线显示了PN结的电流-电压关系。
在低电压下，电流值较小，随着电压的增加，电流逐渐增大。
当电压达到某一临界值后，电流急剧增大，形成了曲线上的拐点。
此后，随着电压继续增加，电流值保持在一个较高的水平。
讨论：PN结的伏安特性曲线反映了PN结的电流-电压关系，也揭示了PN结内部的物理特性。
在低电压下，PN结的电流主要由扩散电流贡献，即由电子从N区向P 区的扩散与空穴从P区向N区的扩散形成的电流。
随着电压增加，电势差逐渐增大，电子和空穴的扩散速度也增加，从而导致电流的增大。
当电压达到一定临界值后，PN结的反向击穿现象开始出现。
此时，电流急剧增大，形成了伏安特性曲线上的拐点。
反向击穿是由于PN结内部的电场强度达到一定程度，使得电子和空穴能够克服PN结的禁带电位垒，产生大量载流子，并形成电流的击穿现象。
在反向击穿状态下，PN结的电流值保持在一个较高的水平，称为击穿电流。
击穿电流的大小取决于PN结的材料和结构参数。
不同的材料和结构参数会导致不同的击穿电流值。
因此，在实际应用中，需要根据具体的要求选择适当的材料和结构参数，以满足特定的电流需求。
结论：通过实验测量和分析，我们了解了PN结的伏安特性曲线及其物理特性。
pn结正向伏安特性曲线随温度的变化
pn结正向伏安特性曲线随温度的变化。
近年来随着日益发展的电子设备，结正向伏安特性的研究也受到了越来越多的关注。
将结正向伏安特性与温度挂上钩不仅有利于更好地理解这一特性，更为重要的是，它能帮助我们正确地控制电路，以达到所需性能，这就为研究正向伏安特性随温度变化而展开。
结正向伏安特性随温度而变是指，当温度发生变化时，pn结反向和正向伏安特性曲线也会发生变化。
具体来说，温度越高，pn结的正向伏安特性也会越低，反之温度越低，pn结的正向伏安特性也会越高。
这种温度依赖性的作用，对pn结有着重要的意义，它可以作为调节电路切换极限的重要因素，而且还可以保证pn结在各种环境温度下正常工作。
除了这种温度依赖性的作用外，pn结正向伏安特性随温度变化还会带来不同的特征，比如温度变化会引起开关延迟的变化，以及温度的变化会使p-n结的集电极-基极放大特性也发生变化，并影响整个电路的工作特性。
为了正确地分析结正向伏安特性随温度的变化，一般的做法是先测量一系列温度值时pn 结的正向伏安特性，然后用函数拟合实验数据，得到此拟合函数在不同温度下pn结正向伏安特性的变化情况，从而分析pn结正向伏安特性随温度变化的规律及其影响。
因此，pn结正向伏安特性随温度的变化是一个需要重视的课题，研究其变化规律给电子设备的设计和应用带来了重要的启示，协助我们在设计和使用过程中正确地控制电路，使电路达到预期性能。
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PN结正向压降与温度特性的研究
【实验目的】
1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。
2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。
【实验仪器】
1、 pn结物理特性实验仪。
2、保温杯。
3、开水、冰块等。
【实验原理】
1、理想的pn结正向电流IF 与压降VF 存在如下近似关系
式中,q 为电子电量,K=1、38×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数,T 为热
力学温度,Im 为反向饱与电流,它的大小
其中C 就是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数;γ就是热学中的比热比,也就是一个常数;Vg(0)就是热力学温度T=0 时,PN 结材料的能带结构中,它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中,把有电子存在的能量区域称作价带,空着的能量区域叫导带,而电子不能存在的能量区域叫禁带。
将式(2)带入式(1),两边取对数可得
(3)
其中,。
式(3)就是PN 结温度传感器的基本方程。
当正向电流IF为常数时,V1 就是线性项,Vn1 就是非线性项,这时正向压降只随温度的变化而变化,但其中的非线性项Vn1引起的非线性误差很小(在室温下,γ=1、4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0、048mV)。
因此,在恒流供电情况下,PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V1,即在恒流供电情况下,正向压降VF 随温度T
的升高而线性地下降,这就就是PN 结测温的依据。
我们正就是利用这种线性关系来进行实验测量。
必须指出,上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间,对最常用的硅二极管,温度范围约为-50℃—50℃,若温度超出此范围,由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加,VF —T 的关系将产生新的非线性。
更为重要的就是,对于给定的PN 结,即使在杂质导电与非本征激发的范围内,其线性度也会随温度的高低有所不同,非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度,使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段,这就是PN 结温度传感器的普遍规律。
同时从式(1)、(2)、(3)可以瞧出,对给定的PN 结,正向电流IF 越小非线性项越小,这说明减小IF ,可以改善线性度。
2、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。
实验线路 测温电路
通过调节实验电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流I ＝100μA 。
同时用电桥测量铂电阻T R 的电阻值,通过查铂电阻值与温度关系表,可得恒温器的实际湿度。
从室温开始每隔5℃－10℃测一定be U 值(即V 1)与温度θ(℃)关系,求得T U be -关系。
当PN 结通过恒定小电流(通常电流I ＝1000μA),由半导体理论可得be U 与T 近似关系:
go be U ST U += (3)
式中S ≈－2、3C mV o
/为PN 结温度传感器灵敏度。
由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。
硅材料的go E 约为1、20eV 。
【实验内容与步骤】
1、VF(tS)的测量与调零
(1)开启测试仪电源,电源开关在机箱后面,预热数分钟。
(2)将“测量选择”开关(简称K)拨到IF 的位置,由“IF 调节”使IF=50μА,记录初始测量温度tS(一般与当时的室温tR 相同),再将K 拨到VF 的位置,记下VF(tS)值,最后将K 置于ΔV 的位置,由“ΔV 调零”使ΔV=0,准确记录以上数据。
有时因实验失败,需要重新进行测量时,PN 结所在处的温度无法降到室温,这时可根据实验条件选取一个合适的起始温度,记录下该温度值,即可开始测量,测量过程与上面完全相同。
(1)开启加热电源(指示灯即亮),先将控温电流开关旋钮旋至0、3A,再逐步提高控温加热电流,实验过程中每测量三个点控温电流增加0、1A 即可。
(2)记录对应的ΔV 与T,为了减小测量误差,便于处理数据,实验中按ΔV 每改变10mV 或15mV立即读取一组数据,将数据填入拟定的表格中。
2、测定曲线
(1)开启加热电源(指示灯即亮),先将控温电流开关旋钮旋至0、3A,再逐步提高控温加热电流,
实验过程中每测量三个点控温电流增加0、1A 即可。
(2)记录对应的ΔV 与T,为了减小测量误差,便于处理数据,实验中按ΔV 每改变10mV 或15mV立即读取一组数据,将数据填入拟定的表格中。
【注意事项】
1.为保持加热均匀,在整个实验过程中,升温速率要慢,即控温电流一开始不可选择过大,且最
高温度最好控制在120℃左右。
2.在实验过程中应保证PN 结正向电流为恒定电流,并保持在50μА上。
3.ΔV 在实验开始时应调零,在实验过程中不可再调节。
【数据记录及处理】
1、实验起始温度tS= ____℃起始正向压降VF(tS)= ____mV 工作电流IF=____μА
控温电流(A)ΔV(mV)t1(℃)T=(273、1+t1) (K)。