PN结的伏安特性与温度特性测量上课讲义
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
－+ －+ －+ －+
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结伏安特性的测量
实验报告课程名称：大学物理实验（一）实验名称：PN结伏安特性的测量穴这个空穴在带－e电荷的硼离子的作用下，将环绕带负电的硼离子 (B-)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 结两端没有加外电压时，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。
从曲线中可以看到，若P型接正极，N型接负极，即电压U为正向电压时，电流为正值(I>O)，这个电流叫正向电流，而且随着正向电压的增加，正向电流亦随之呈指数上升。
从曲线中还可看到，若P型接负极，N型接正极，即电压U为反向电压时，电流为负值(I<0)，这个电流叫做反向电流，其绝对值较正向电流小，且随着反向电压的增加，反向电流很快达到饱和电流Is利用 PN 结的这个特性，可制成电子线路中常用的检波和整流二极管。
当 P型与 N型相接触时，有电子从 N型扩散到 P 型中去，同时也有空穴从 P型扩散到N型中去（见图7-4(a)）。
这样，在P型和N型相接触的区域就出现了偶电层（见图7-4(b)）。
由千这个偶电层的存在，在P型和N型相接触的区域内就存在由N指向P的电场，它要阻止空穴和电子的继续扩散，直至达到动平衡为止。
这时，在P型和N型接触区域存在如图7-4(c)所示的电势变化情况。
图中队为动平衡时P、N之间势垒的高度。
因而无论是空穴或电子都需克服高度为U。
的势垒，从能通过偶电层进入到N或P中去。
然而，当P接外电源正极，N接外电源负极,即P、N间为正向电压U时，则使势垒高度降低，于是N型中的电子和P型中的空穴将较容易通过PN结，从而在电路中形成电流。
这就是图7-3中，随着正向电压增加，正向电流亦增加的道理。
(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 。
【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。
实验 17 半导体 PN结伏安特性和温度特性研究
实验 17 半导体 PN结伏安特性和温度特性研究
实验目的：研究半导体的PN结伏安特性和温度特性。
实验原理：
1. PN结：半导体材料中的一种结构，由P型半导体和N型半导体通过P-N结相连接而成。
PN结具有整流特性，在正向偏置时具有低电阻，而反向偏置时具有高电阻。
2. 伏安特性：指PN结在不同偏置电压下的电流和电压关系。
在正向偏置时，随着偏置电压的增加，电流也增大；在反向偏置时，电流较小。
3. 温度特性：温度对半导体器件特性有一定的影响。
通常情况下，随着温度的增加，半导体器件的电阻会减小，导致电流增大。
实验步骤：
1. 搭建半导体PN结伏安特性测量电路。
将PN结连接到电源和电流表，通过改变偏置电压测量不同电流值。
2. 测量PN结在不同偏置电压下的伏安特性曲线。
从零电压开始逐渐增加偏置电压，记录电流和电压值，并绘制伏安特性曲线。
3. 测量PN结在不同温度下的伏安特性。
通过将PN结加热或冷却，改变温度，并测量电流和电压值，观察温度对伏安特性的影响。
4. 分析实验结果，并讨论PN结的伏安特性和温度特性。
实验注意事项：
1. 搭建电路时应注意电流和电压的接线正确。
2. 在测试过程中，应逐渐增加偏置电压，避免过大的电流或电压对半导体器件的损坏。
3. 测量温度时需要使用专用的温度计或热敏电阻等检测温度变化。
实验结果：
通过测量PN结在不同偏置电压和温度下的伏安特性，可以得到相关数据，并通过曲线分析和对比，得出PN结的特性和温度特性的结论。
大学物理实验PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究讲义
PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式，了解用PN 结测温的方法。
2．在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
3．了解二极管的正向伏安特性，测量波尔兹曼常数。
二、实验原理（一）PN 结正向压降与温度的关系理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp(kTqV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流，它是一个和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明])0(ex p[kT qV CT Is g r -= （2）（注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节）其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
将（2）式代入（1）式，两边取对数可得11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3）其中()rn F g InT q KT V T I c In q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。
令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，V F 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5） TV F ∂∂1等于T 1温度时的T V F ∂∂值。
高二物理竞赛pn结伏安特性课件
了从pp'处向p区内部的电子扩散电流；
非平衡少数载流子的抽取或吸出
n区电子通过势垒区流入p区
空穴电流在扩散区通过复合作用转为电子电流
外加直流电压下p-n结能带图（非平衡少数载流子影响） 又由于有净电流流过pn结，根据式：
扩散大于漂移
正向偏压 (如何分布)
正反偏压时势垒变化
与内建电场相反
势垒区电场
宽度 高度
又由于有净电流流过pn结，根据式：
n区空穴扩散流与n区电子复合
(1)外电压下p-n结势垒的变化及载流子的运动
电子通过势垒区扩散入p区，在边界pp'(x＝-xp)处形成电子的积累，成为p区非平衡少数载流子，导致pp'处电子浓度比p区内部高，形成
了从pp'处向p区内部的电子扩散电流；
电子通过势垒区扩散入p区，在边界pp'(x＝-xp)处形成电子的积累，成为p区非平衡少数载流子，导致pp'处电子浓度比p区内部高，形成
电子浓度高，EFn变化小 又由于有净电流流过pn结，根据式：
n区空穴扩散流与
(1)外电压下p-n结势垒的变化及载流子的运动
n区电子复合
势垒区电场减弱，破坏了载流子扩散运动和漂移运动之间原有的平衡，削弱了漂移运动，使扩散流大于漂移流，产生了电子从n区向p
区以及空穴从p区向n区的净扩散流；
n区电子通过势垒区流入p区 如何求？
p’ n’
电子（扩散）电流
空穴（扩散）电流
pn
正向p-n结电流分布
正向总电流：通过边界pp’的电子扩散电流和nn’的空穴 扩散电流 (假定通过势垒区的电子电流和空穴电流均保持不变的 情况下，无复合)
n区电子向nn’漂移，越过势垒区，经pp’进入p区，电子扩散电流
高二物理竞赛课件PN结的伏安特性曲线
(b) 电路符号
硅（Si）锗（Ge）砷化镓（GaAs）等半导体材料,白边，长短脚
2、伏安特性
根据理论分析，二极管的电流与端电压存在如下关系:
vD
i
iD IS (eVT 1)
热电压 （室温） VT 26mV
导通压降V(BR)源自0v导通电压：VD (on） V > VD (on)时，二极管导通， 电流 i 有明显数值， V < VD (on)时，电流 i 很小， 二极管截止。
RD
VQ IQ
1、 交流电阻
rd
v i
Q
交流电阻的求法：
（1）图解法：Q点切线斜率的倒 数。
（2）公式法：从二极管的伏安特性表达式中导出
rd
dv di
Q
vD
iD IS (eVT 1)
diD
IS
vD
eVT
IS
VD
eVT
ID
dvD Q VT
VT
Q
VT
ID是静态工作点上二极管的直流电流
rd
dvD diD
硅管：VD (on) 锗管：VD (on)
i
V(BR) 0
V（BR）为击穿电压,电流 急剧增加。
v
结论：（1）二极管单向导电 性。
（2）二极管是非线性器件。
i
0
v
、二极管的主要参数 1、 直流电阻和交流电阻
静态工作点Q
二极管的直流电阻: 与静态工作点有关
RD1
VD1 I D1
RD2
VD2 I D2
v
i IS eVT
②反偏且 v VT 时， i I S
结的击穿特性
i
V(BR)
0
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
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1.2.2 PN结的伏安特性和电容效应
多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。 （3）二极管的高频等效电路
当频率f 很高时，二极管失去单向导电性。
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PN结的伏安特性和电容效应
（2）反向击穿特性
当加于PN结的反向电压增 大到一定数值UBR 时 ，反向电流 突然急剧增加 ，这种现象称为 PN 结的反向击穿(b-c曲线段)。
击穿 类型
齐纳击穿、雪崩击穿
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ห้องสมุดไป่ตู้
PN结的伏安特性和电容效应
2. 二极管的电容效应 （1）势垒电容CB
模拟电子技术基础
1.2.2 PN结的伏安特性和电容效应
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PN结的伏安特性和电容效应
1. PN结的伏安特性 （1）正、反向特性
式中，在常温（T=300K时）下，UT 26mV。 ① 零偏时i=0，曲线过坐标原点。 ② 正偏时，正向电流随正向电压 按指数规律变化（ a-o曲线段）。 ③ 反偏时，反向电流不随外加 电压而变（o-b曲线段）。
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
PN结正向电压温度特性的测定
（i V
为经放大后的电
压，A为放大器的放大倍数）。根据该式，应用科 为放大器的放大倍数）。根据该式， ）。根据该式 学工作室的电压传感器的功能进行电压的测量。 学工作室的电压传感器的功能进行电压的测量。
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实验中容易出现的问题 :
1）实验计算机中的公式输入。 实验计算机中的公式输入。 2）传感器的各项设置。 传感器的各项设置。 3）各接触点不够紧密，正负极容易接错。 各接触点不够紧密，正负极容易接错。 4）恒流源的恒定电流=1mA(锗管)或=2mA(硅管)，不 恒流源的恒定电流=1mA(锗管) 锗管 2mA(硅管) 硅管 宜太大太小，恒流源不宜空载，在更换二极管时， 宜太大太小，恒流源不宜空载，在更换二极管时， 一定要关闭电源开关。 一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探 PN结与加热器接触良好 结与加热器接触良好， 应保证PN PN结接线柱 头、PN结与加热器接触良好，且应保证PN结接线柱 不与铜块接触。 不与铜块接触。
PN结正向电压温度特性的测定
实验目的: 实验目的
1.了解PN结正向电压随温度变化的基本规律。 2.掌握用计算机测绘恒流条件下PN结正向电压随温 度变化的关系曲线。 3.确定PN结的测温灵敏度。
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实验原理: 实验原理
PN结是半导体器件的核心。在P（或N）型半导体 中，P区多子空穴比N区少子空穴浓度大，空穴由P区 向N区扩散，并与N区的多子自由电子复合，在N区产 生正离子的电荷区；N区多子自由电子比P区少子自由 电子浓度大，自由电子由N区向P区扩散，并与P区的 多子空穴复合，在P区产生负离子的电荷区。P区和N 区的电荷区之间形成电场，在此电场作用下产生与扩 散运动相反的情况，它阻止扩散运动的进一步加强。 最终形成两种运动的动态采用美国PASCO公司提供的温度传 温度测量采用美国PASCO公司提供的温度传 PASCO 感器， 感器，其温度输入与电压输出的关系式为
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P N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，V1 是线性项，Vn1 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Vn1 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。
同时从式(1)、(2)、(3)可以看出，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。
V 1
V 2
3V
R1
R2
R T
R4
V
2
R
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 ）的测量和调零
（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 和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 和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。