PN结的物理特性—实验报告

半导体PN 结的物理特性实验报告

姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言

半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。

二、实验原理 1、 PN 结的物理特性

（1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。 （2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。在常温（T=300K ）下和实验所取电压U

的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。

（3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。

2、反向饱和电流I s

（1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。

（2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为

③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K

时材料的禁带宽度。两边取对数得 ，其中γlnT 随温度T 的变

化相比（eU-T ）/kT 很缓慢，可以视为常数。

（3）当正向电压U 不变时作lnI-1/T 图像并进行线性拟合，得到拟合方程斜率（eU-E ）/k ，代入已知常数便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E ；当正向电流I 不变时作U-T 图并进行线性拟合，得到拟合直线截距E/e ，带入已知常数，便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。

3、实验装置及其原理

（1）如图所示为由运算放大器组成的电流-电压变换器电路图，电压表V1测量的是正向电压U1，电压表V2测量的是正向电流I 经运算放大器放大后所对应的电压U2，分析电路后可知，正向电流I ≈U 2/R f ，其中R f 为反馈电阻。通过二极管的正向电流除了扩散电流外，还

(1)eU

kT s I I e =-1

eU

kT

e >>eU kT

s I I e =lnI lnI s eU kT

=+0E kT s I I T

e γ

-

=0eU E

kT

I I T e γ-=0ln lnI ln eU E

I T kT

γ-=++

包括耗尽层复合电流，其正比于 ，以及表面电流，其正比于

，一般

m>2。

（2）本实验中不使用硅二极管进行测量，而是将硅三极管的集电极c 与基极b 短接代替PN 结进行测量．此时集电极电流只包含扩散电流，而耗尽层复合电流主要在基极b 出现，测量集电极电流时不包括它。若实验时选取性能良好的硅三极管，并处于较低的正向偏置，则表面电流的影响可以完全忽略。

图1 电压-电流变换器电路 图2 实验装置

(其中A 为三极管 B 为温度传感器 C 为试管 D 为磁性转子 E 为加热器 F 为烧杯)

三、实验过程

1、测量PN 结正向电流I 与正向电压U 的关系

（1）搭建如图所示实验装置，将三极管与温度传感器浸没在盛有油的试管中，将试管与加热器浸没在盛满水的烧杯中，将磁性转子放置在烧杯底部，用铝盖板盖住烧杯，接通电源。 （2）测量室温T ，粗测PN 结正向电压U 1与正向电流I 放大后对应的电压U 2之间的关系，观察是否有饱和现象，根据粗测结果确定细测时U 1的取值范围。

（3）保持温度T 不变并且记录T 的值，测量室温下PN 结正向电压U 1电压U 2之间的关系。 （4）计算正向电流I ，分别作I-U 与lnI-U 图像，并分别对I-U 图进行幂函数拟合与指数函数拟合，对lnI-U 图进行线性拟合，分析各拟合方式得出经验公式并计算玻尔兹曼常数k 。 2、测量PN 结正向电流I 及正向电压U 与温度T 的关系

（1） 在室温的基础上，升高温度3-5K ，记录PN 结正向电压U 1与电压U 2相对未升温时细测数据的变化，分析相同正向电压U 1对应的电压U 2的变化规律，相同电压U 2对应的正向电压U 1的变化规律，选择合适的正向电压U 1与电压U 2的大小作为实验常数,。

（2）逐渐升高温度T （最终与最初之间的温差不小于30K ），测量相同正向电压U 1对应的电压U 2，相同电压U 2对应的正向电压U 1，计算正向电流I 。

（3）根据理论选取合适函数对实验数据进行拟合，计算0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。 3、注意事项

（1）搭建实验装置时要注意将试管的油面控制在烧杯的水面下方，以便充分热交换。 （2）本实验仪器加热装置设计为将水加热至所设定的温度，然而由于加热装置的余热使水最终热平衡的温度会再升高1K 左右，测量数据时要等待达到热平衡后再测量。 （3）本实验所用电压表的量程会自动调节，因此记录数据时要注意有效位数。

（4）室温下对于U 1、U 2的测定一定要观察温度示数，确保其不变且保证U 2未达到饱和。

2eU

kT e

eU

mkT

e