PN结的物理特性—实验报告
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结的特性研究实验报告
pn结的特性研究实验报告一、实验目的本实验旨在深入研究 pn 结的特性，包括其电流电压特性、电容特性等，以加深对半导体物理中 pn 结基本原理和工作机制的理解。
二、实验原理1、 pn 结的形成当 p 型半导体和 n 型半导体紧密接触时，由于两边载流子浓度的差异，会发生扩散运动。
p 区的空穴向 n 区扩散，n 区的电子向 p 区扩散，在接触面附近形成空间电荷区，也就是 pn 结。
空间电荷区产生内建电场，阻止扩散运动的进一步进行，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，pn 结形成。
2、 pn 结的电流电压特性根据半导体物理理论，pn 结的电流电压关系可以用肖克利方程来描述：＼ I ＝ I_0 （e^｛＼frac{qV}｛kT}｝ 1) ＼其中，＼（I\）是通过 pn 结的电流，＼（I_0\）是反向饱和电流，＼（q\）是电子电荷量，＼（V\）是施加在 pn 结上的电压，＼（k\）是玻尔兹曼常数，＼（T\）是绝对温度。
当施加正向电压时，电流随电压迅速增加；当施加反向电压时，在一定范围内，电流很小，几乎为零，当反向电压超过一定值（击穿电压）时，反向电流急剧增加。
3、 pn 结的电容特性pn 结的电容包括势垒电容和扩散电容。
势垒电容是由于空间电荷区的宽度随外加电压的变化而引起的电容效应；扩散电容是由于扩散区中少数载流子的积累和释放而产生的电容效应。
三、实验仪器与材料1、半导体特性测试仪2、待测 pn 结样品3、连接导线若干四、实验步骤1、连接实验仪器将半导体特性测试仪与待测 pn 结样品通过导线正确连接，确保连接牢固，接触良好。
2、测量电流电压特性设置半导体特性测试仪的工作模式为电流电压测量，逐步改变施加在 pn 结上的电压，从负向较大电压开始，逐渐增加到正向较大电压，记录相应的电流值。
3、测量电容电压特性将测试仪切换到电容电压测量模式，同样改变施加的电压，记录不同电压下的电容值。
4、重复测量为了提高测量的准确性，对上述测量过程进行多次重复，取平均值作为最终结果。
pn结的特性实验报告
pn结的特性实验报告PN结的特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
在本次实验中，我们将通过实验来研究PN结的特性，包括正向偏置、反向偏置和截止电压等。
通过实验数据的分析，我们可以更好地理解PN结的工作原理和特性。
实验方法：1. 实验仪器和材料：- P型硅片和N型硅片- 直流电源- 电压表- 电流表- 变阻器- 连接线等2. 实验步骤：1) 将P型硅片和N型硅片连接起来，形成一个PN结。
2) 将正极连接到P型硅片，负极连接到N型硅片，进行正向偏置实验。
3) 测量正向电流和正向电压的关系。
4) 将正极连接到N型硅片，负极连接到P型硅片，进行反向偏置实验。
5) 测量反向电流和反向电压的关系。
6) 根据实验数据分析PN结的特性。
实验结果和分析：1. 正向偏置实验：在正向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐增加，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
随着电压的增加，电流迅速增加，符合指数增长的特性。
这是因为在正向偏置下，PN结的载流子被注入并迅速扩散，形成电流。
2. 反向偏置实验：在反向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐减小，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
然而，当电压超过截止电压时，电流急剧增加。
这是因为在反向偏置下，PN结的耗尽层宽度增加，电流主要由漏电流组成。
3. 截止电压：通过实验数据的分析，我们可以得到PN结的截止电压。
在正向偏置实验中，当电流开始迅速增加时，我们可以得到PN结的截止电压。
同样，在反向偏置实验中，当电流开始急剧增加时，也可以得到PN结的截止电压。
通过多次实验得到的数据可以取平均值，提高结果的准确性。
结论：通过本次实验，我们成功研究了PN结的特性。
正向偏置下，PN结的电流随电压增加而指数增长；反向偏置下，PN结的电流在低于截止电压时非常小，但在超过截止电压后急剧增加。
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。
半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
引言： 导电性介于绝缘体和导体之间的物质称为半导体，半导体分为 P 型半导体和 N 型半导
体。当 P 型半导体和 N 型半导体相互接触时，形成 PN 结。半导体 PN 结电流—电压关系特 性是半导体器件的基础。
本实验通过一个简单电路测量通过 PN 结的扩散电流与 PN 结电压之间的关系，并证实 PN 结的电流与电压遵循指数关系。同时通过实验数据求得波尔兹曼常数。 实验原理 1、 弱电流的测量。
������0
������������
与1的拟合曲线：
������
图
5
������0������������~
1图
������
拟合公式：y = A������−������������ + ������0
式中：A = (1.5 ± 0.6) × 1014，t = （7.0 ± 0.1) × 10−5 ，������0 = （ − 5.2 ± 0.4） × 10−7 R-Square=0.99931 , R-Square 接近于 1， 数据点线性关系很好。
拟合结果：������0������������ = 1.5 × 1014 × ������−7.0×110−5������ − 5.2 × 10−7
拟合结果和（6）对比可得−
������������ ������������
=
−
1 t������
,
所以
0k
时的禁带宽度
E0
=
������ ������
实验结果 1、 PN 结正向电流与电压的关系。
表 1 PN 结正向电压 U1 与正向电流对应电压 U2 的关系
实验序号
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是P型和N型半导体材料接触而形成的结，是半导体器件中最基本的一种结构之一。
PN结的特性非常重要，对于理解和应用半导体器件非常关键。
本实验主要通过测量PN结的伏安特性曲线，研究PN结的整流作用和反向击穿特性。
实验仪器包括PN结二极管、直流电压源、直流电流表、电阻箱等。
首先按照电路图连接好实验电路，然后将直流电压源的电压调节到0V，将直流电流表改为电压测量模式，并设置合适的量程。
然后逐步增加直流电压源的电压，并记录PN结的电压和电流值。
在改变电压的同时，可以观察PN结上是否有发光现象，以及发光强度的变化。
实验结果显示，当外加电压为正向时，即P端连接正电压，N端连接负电压，PN结的电流非常小，大约在10^-6量级以下。
这是因为PN结的整流作用，电子由N端向P端流动，而空穴由P端向N端流动，形成了电流。
此时PN结处于正向偏置状态。
而当外加电压为反向时，即P端连接负电压，N端连接正电压，PN结的电流非常大，大约在10^-3量级以上。
这是因为反向击穿现象的发生，电子和空穴在PN结处以较高的速度相遇复合，形成漫射电流。
此时PN结处于反向偏置状态。
需要注意的是，过高的反向电压会导致PN结的击穿，从而破坏PN结。
实验中还观察到了PN结的发光现象。
在正向偏置状态下，电流随着电压的增加而增加，当电压达到正向击穿电压时，PN结开始发光，并逐渐增强。
这是因为PN结发生辐射复合，使得能量得以转移为光子。
发光强度与电流强度成正比。
通过本次实验，我深入了解了PN结的特性。
PN结不仅可以实现整流作用，还可以实现发光效果。
在实际应用中，PN结被广泛应用于半导体器件中，比如二极管、LED和激光器等。
PN结特性实验报告
专业：应用物理题目：PN 结特性(1)研究 PN 结正向压降随温度变化的基本规律。
(2)学习用 PN 结测温的方法。
(3)学习一种测量玻尔兹曼常数的方法。
DH-PN-2 型PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ 温度传感实验装置PN 结正向电流IF 和压降VF之间存在如下近似关系其中q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为热力学温度；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其中 C 是与结面积、掺杂浓度等有关的常数； r 对温度的关系(通常取 r=3.4)； V g (0)为 0K 时 联立二式可得是常数，其数值取决于少数载流子迁移率 PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
Vl 随温度线性变化， Vnl 为非线性变化，若忽略非线性部份，误差分析如下温度由 T 1 变为 T 时，正向电压由 V F1 变为 V F 时，正向电压理论值与忽略非线性部份值得 偏差为当温度变化范围较小时，该偏差可忽略(通过改变温度与I F 也可改善线度)，令 I F =常数， 则正向压降只随温度升高线性下降，这就是 PN 结测温的依据。
1. 实验系统检查与连接关闭 DH-SJ 型温度传感器实验装置上的“加热电流”、“风扇电流”开关，接上加热电源 线。
插好 Pt100 温度传感器和 PN 结温度传感器，两者连接均为直插式。
PN 结引出线分 别插入 PN 结正向特性综合试验仪上的+V 、-V 和+I 、-I 。
打开电源开关，温度传感器实验装置上将显示出室温 T R ，记录下起始温度 T R 。
2. 玻尔兹曼常数 k 的测定测得 PN 结 I ~V 关系，求出玻尔兹曼常数 k 。
将 PN 结正向特性综合试验仪上的电流量 程置于适当档位，调整电流调节旋钮以改变正向电流 I F 输出示值，观察记录相应的正向电 压 V F 值读数。
3. 至少完成对一种 PN 结材料的 V ~T 曲线的测量及数据处理(1)测定 V ~T 关系曲线 选择合适的正向电流 I F (如 I F =50µA ，普通选小于 100μA 的 值，以减小自身热效应)，并保持不变。
PN结物理特性综合实验
成都信息工程学院物理实验报告姓名： 蔡青 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2007-9-1下午 实验教室： 5102-1 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：××× 【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)/[ex p(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（f R 称反馈电阻）。
因而有：00(1)i i s f fU 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001i f f x s U 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图2 电流－电压变换器i s fr U U I 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。
PN结修改-PN结物理特性综合实验报告模板
一、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。
二、实验仪器设备：PN结物理特性综合实验仪(FD-PN-4型)，TIP31型三极管，长连接线(5黑、6红)，手枪式连接导线10根，3DG6(基极和集电极短路)，铂电阻一只。
三、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：[exp(e U/kT)-1] (1)I=I式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0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exp(e U/kT)>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：exp(e U/kT) (2)I=I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常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k往往偏小。
这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。
一般它包括三个部分：[1]扩散电流，它严格遵循(2)式；[2]耗尽层符合电流，它正比于exp(e U/2kT)；[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于exp(e U/m kT),一般m>2。
因此，为了验证(2)式及求出准确的e/k常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型两种半导体材料组成。
通过合理的掺杂工艺，P型材料中掺入三价掺杂剂，N型材料中掺入五价掺杂剂，使得PN结具有独特的电学特性和器件功能。
而本次实验旨在研究PN结的特性，并通过实验数据验证PN结的一些基本特性。
实验步骤如下：1. 准备实验器材与元件：我们需要准备的实验器材包括电流源、电压源、台式电压表、数字万用表和示波器等。
而元件方面，可选择硅（Si）或锗（Ge）为半导体材料，并分别制备P型和N型材料单晶体。
2. 制备PN结：首先，将P型和N型材料片分别放入刻有浅浩深度的腐蚀液中进行腐蚀，以去除表面的氧化层。
然后，分别用净化液进行洗涤，使片面维持清洁无杂质状态。
接下来，将两片材料通过高温扩散或涂覆方式粘接在一起，形成PN结结构。
3. 测量I-V特性曲线：使用电流源和电压源连接到PN结，依次改变电流和电压的大小，测量不同电压下的电流值。
将实验得到的I-V数据记录下来，并绘制出I-V特性曲线。
4. 测量C-V特性曲线：切换到电容模式，依然使用电压源和电流源连接到PN结，逐渐增加电压的大小，并测量得到不同电压下的电容值。
将实验得到的C-V数据记录下来，并绘制出C-V特性曲线。
实验结果与数据分析：从实验数据可以得知，PN结的I-V特性曲线通常呈现出非线性的特点。
在低于开启电压的情况下，PN结的电流非常微弱，近似于零电流。
一旦开启电压达到一定阈值，PN结将出现快速增加的电流。
而在反向电压下，PN结的电流保持较小的值。
通过对I-V曲线的分析，我们可以得知PN结的整流特性。
具体来说，当PN结正向偏置时，导通电流会迅速增加，这意味着PN结可以作为半导体整流器件使用。
而反向偏置时，可以发现PN结具有一定的阻断能力，可作为保护电路使用。
同时，C-V曲线也能提供有关PN结的一些信息。
当电压的振幅增加时，PN结的电容值将增大。
这是因为在高反向电压下，空穴和电子会被强烈地吸引到PN结中，从而增加了电容。
pn结report
U 0 K0U i
(3)
Rf
+
Is
Zr
Is
Ko
Ui
图2
U0
电流－电压变换
式(3)中 U i 为输入电压， K 0 为运算放大器的开环电压增益，即图 2 中电阻 R f 时的电压
增益（ Rf 称反馈电阻）
。因而有：
Is
Ui U 0 Ui (1 K 0)
数和标准偏差来判断各函数的优劣。
计算玻尔兹曼常数 k。
2. 保持 PN 结正向电压不变，测量 PN 结正向电流与温度的关系。
温差不小于 30℃，不少于 7 组数据。
以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算 0K 时 PN 结材料（硅）的禁带宽度。
3. 保持 PN 结正向电流不变，测量 PN 结正向电压与温度的关系。
综上：k=(1.380±0.002)×10-23
保持 PN 结正向电压不变，测量 PN 结正向电流与温度的关系
此时定 U1 后，有关系式： (1 − 0 )
+ + =
*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
大致关系为
302.15
305.15
308.15
311.15
314.15
317.15
320.15
323.15
326.15
329.15
332.15
335.15
338.15
0.068
0.093
0.131
0.188
0.273
0.389
0.552
pn结物理特性测试
3.为什么实验要求测 V--T 曲线，而不是 VF--T 曲线 答： 因为 VF—T,VF 受温度变化影响极快,而 V—T 曲线则可在一定程度上消除温度 T 对 V 的影响,提高精确度,故要去测 V—T 曲线
七、
教师批改评语：
成绩（百分制） ：
25.8 26 26.6 27.7 28.3 28.9 29.5 30.2 31.3 31.9 32.5 33 34.9 35.2 35.6 36.5 36.8 37.1 37.6 38.2 38.9 39.5 39.9 40.4 40.8 41.4 42.4 42.9 43.3 43.9 44.8 45.4 45.9 46.4 47.1 47.5 48 48.7 49.3 49.7 50.1 50.6 51.2 51.7
相对误差：
1.21
1 。 45%
六、
思考题： 1.测量时，为什么温度必须在-50 摄氏度~150 摄氏度范围内？
答：因为对通常的硅二级管来说，在温度-50 摄氏度~150 摄氏度的范围内杂质全部电 离，本征激发可以忽略的温度区，如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因 子减小或本证载流子迅速增加，VF--T 关系将产生新的非线性。 2. V-T 曲线为何按 V 的变化读取 T，而不是按自变量 T 的变化读取 V？ 答：因为温度 T 的读取，是由温度传感器晶体管这种电路结果结构与恒流、放大等 电路集成一体，便构成集成电路温度传感器读取的。故只需要知道∆V，而温度有传 感器获知，便可得到∆V—T 曲线。
-0.06 -0.062 -0.064 -0.066 -0.068 -0.069 -0.071 -0.073 -0.075 -0.076 -0.078 -0.079 -0.081 -0.083 -0.085 -0.087
【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
一、实验目的
本实验的目的是要了解半导体PN结的物理特征，并通过相关实验来考察和测量PN结
的特性。
二、实验原理
PN结是半导体电子器件的最基本结构，由掺杂的德勒普及层组成，它们具有非常重要的物理和化学特性，被广泛用在微电子器件中。
它由半导体表面凹凸不平、绝缘体或金属
覆盖层、P型和N型掺杂层组成，当它处于正向偏置时，在P掺杂表面之间就会形成可以
用于传输电子的“及P全”，可以传输能量的“及N层”，成功实现一定电压后形成电流
流动，因而功能实现。
因此，熟悉和理解N插头所具有的物理特性，对于设计和制作微电
子器件有着重要的意义。
三、实验结果与分析
实验表明，本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据。
发现当电压由零改变时，当电压较低时，流过PN结的电流较小，对结的功耗也较低，但
随着电压的增加，电流和功耗也随之增大，这说明具有较强的正序特性，而电压超过一定
限值后，电流和功耗就不再增加，这说明其具有稳定的拐点，可以有效的控制PN结的特性。
四、结论
本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据，得出了相
应的结论：PN结具有较强的正序特性，具有稳定的拐点，可以有效控制其特性。
通过本次实验，我们不仅能够深入理解半导体PN结的物理特性，还可以更好地应用于微电子器件中。
pn结正向特性实验报告
pn结正向特性实验报告一、实验目的1、深入理解 pn 结的正向导电特性。
2、掌握测量 pn 结正向电流与电压关系的方法。
3、通过实验数据，计算 pn 结的正向导通电阻，并分析其变化规律。
二、实验原理pn 结是由 p 型半导体和 n 型半导体接触形成的。
在无外加电压时，pn 结处于平衡状态，扩散电流与漂移电流相等。
当在 pn 结上施加正向电压时，势垒降低，扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。
根据半导体理论，pn 结的正向电流＄I$ 与正向电压＄V$ 之间的关系满足以下方程：＼I ＝ I_0 （e^｛＼frac{qV}｛kT}｝ 1)＼其中，＄I_0$ 为反向饱和电流，＄q$ 为电子电荷量，＄k$ 为玻尔兹曼常数，＄T$ 为绝对温度。
在常温下（＄T ＝ 300K$），＄kT/q ＼approx 0026V$，当正向电压＄V$ 较大时（＄V ＞ 01V$），上式可近似为：＼I ＝ I_0 e^｛＼frac{qV}｛kT}｝＼此时，pn 结的正向电流随正向电压呈指数增长。
三、实验仪器与材料1、实验仪器直流电源电流表（微安表或毫安表）电压表可变电阻数字示波器2、实验材料pn 结二极管四、实验步骤1、按实验电路图连接好电路，注意正负极的连接，确保电路连接无误。
2、调节可变电阻，使施加在 pn 结上的正向电压从 0 开始逐渐增加，每次增加一定的电压值（如 01V），记录对应的电流值。
3、当正向电压增加到一定值时（如 1V），停止增加电压，反向调节可变电阻，使电压逐渐减小，记录对应的电流值。
4、重复上述步骤多次，以获取多组数据，提高实验的准确性。
5、实验过程中，使用数字示波器观察 pn 结两端的电压和电流的变化情况。
五、实验数据记录与处理1、实验数据记录｜正向电压（V）｜正向电流（μA）｜｜：：｜：：｜｜ 000 ｜ 000 ｜｜ 010 ｜ 050 ｜｜ 020 ｜ 120 ｜｜ 030 ｜ 280 ｜｜ 040 ｜ 650 ｜｜ 050 ｜ 1200 ｜｜ 060 ｜ 2100 ｜｜ 070 ｜ 3500 ｜｜ 080 ｜ 5800 ｜｜ 090 ｜ 9500 ｜｜ 100 ｜ 15800 ｜2、数据处理（1）根据实验数据，以正向电压为横坐标，正向电流为纵坐标，绘制 pn 结的正向特性曲线。
实验报告---半导体PN结的物理特性及弱电流测量(精)
成都信息工程学院物理实验报告姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 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)/[ex p(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（f R 称反馈电阻）。
因而有：00(1)i i s f fU 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001i f f x s U 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图2 电流－电压变换器i s fr U U I 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。
复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告
半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。
2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。
3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。
实验原理PN 结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN 结的研究，可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足（1）式中I是通过PN 结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，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(300 K)下，KT/e =0,026 V，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则e eU/kT>>l，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有(2)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(2)式可以求出e/kT. 在测得温度T 后，就可以得到e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1 、直流电源和数字电压表，包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）实验内容一、必做部分：1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。
大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用
大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用得分教师签名批改日期深圳大学实验报告课程名称: 大学物理实验(三)实验名称: pn结的温度特性的研究及应用学院:组号指导教师:报告人: 学号: 班级:实验地点实验时间:实验报告提交时间:1一、实验设计方案1、实验目的了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。
在工作电流恒定的情况下，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。
设计用PN结测温的方法。
2、实验原理2.1 、PN结正向压降和工作电流、及所处的温度的关系:PN 结正向压降和工作电流、及所处的温度的基本函数关系如下:,,KcKT, ----------(1) 0lnlnVVTTVV,,,,，，，，，,,FgLNLqIqF,,其中: 导带,19q,，1.610C，为电子的电荷。
禁带EeV,gF-23-1,K=1.38×10JK，为玻尔兹曼常数，价带T――绝对温度。
图1 半导体的能带结I――PN结中正向电流。
f构γ 是热学中的比热容比，是常数。
V(0)是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
(半导体材料的能带理论中，把未g排满电子的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，不能排列电子的能量区域叫禁带，如图1所示。
E叫禁带宽度.) g,,KTKc,,lnVT 其中，是线性项。
是非线性相。
0lnVVT,,，，，，NL,,LgqqIF,,非线性项较小，(常温下)可忽略其影响，在恒流供电条件下PN结的V对T的依赖关系F取决线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降。
2.2、PN结测温的方法如果PN结正向压降在某一温度区域和温度变化恒定电流I F成线性关系，就可以利用这一特性将它作为温度传感器的转换探头，原理如图2所示。
将PN结做成的温度探头放在待温度显示结电压V F测环境中，通以恒定电流，温度变化可以引起结电压变化，图2 PN结测温原理测量结电压，将它转换成温度显示，从而达到测量温度的目的。
PN结物理特性
电压U1和相应电压U2。在常温下U1的值约从0.3V至 0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点， 至U2值达到饱和时（U2值变化较小或基本不变），
结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记 录变压器油的温度，取温度平均值。
（3）．改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度
一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室温
Rf
-
Is
Ko
+
Is
Zr
Ui
U0
（3）.PN结的结电压U与热力R2
RT R4
V2
3V
3.实验步骤
（1）U1为三位半数字电压表，U2为四位半数字电压
表，TIP31型为带散热板的功率三极管，调节电压的 分压器为多圈电位器，为保持PN结与周围环境一致， 把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中。变 压器油温度用铂电阻进行测量。 （2）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间
在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太小 （起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据 删去，所以总是得不出较好的结果。后来才发现， 之后删除那些数据拟合出来的图线较为完美了，得 到这些图像后我才真正了解了半导体的物理特性， 真正动手做一个实验和理论上研究实验原理是由本 质区别的。
谢谢观看！
二、关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算
硅材料0K时近似禁带宽度值。
1.通过调节电路中电源电压，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℃测一定值（即V1）与温度（℃）关系，求得
关系。（至少测6点以上数据）
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。
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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)eUkT s I I e =-1eUkTe >>eU kTs I I e =lnI lnI s eU kT=+0E kT s I I Te γ-=0eU EkTI I T e γ-=0ln lnI ln eU EI T kTγ-=++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。
2eUkT eeUmkTe四、实验仪器及型号FD-WTC-D 恒温控制温度传感器实验仪(R f =106 Ω)；FD-PN-1 PN 结物理特性测定仪FLUKE 45 DUAL DISPLAY MULTIMETER ；2000mL 烧杯；试管(Φ=16mm)；TIP31型三极管；AD590集成温度传感器；加热器；铝盖板；磁性转子五、实验现象及数据分析一、室温下测量PN 结正向电流I s 与电压U 1之间的关系（1）粗测U、U 之间的关系（初始油温T =15.2℃，结束油温T =15.2℃） 在U 1逐渐增加的过程中 U 2也逐渐增加，U 2增加的速度随着U 1的增大而增大，即U 2增长的速度先慢后快，但在U 1=0.4939V 左右时，正向电流I 对应的电压U 2突然停止增长而到达正向饱和值（约13.992V ），并且不再上升而达到稳定值。
从粗测的实验现象和数据中我们可以大致确定细测的范围。
细测需要避开U 2的正向饱和值和反向饱和值，还要保证U 2不能太小，以免由于温度变化、仪器稳定性等原因导致相对误差偏大。
在粗测实验过程中我们发现，数据在最后一位甚至两位会有明显的波动，考虑到有效数字的问题，故需将波动控制在最后一位。
故选择细测时U 1的范围为大约0.35V —0.49V ，并且从拟合的角度考虑我们测量时的测量间距在电压较小时较大，而在电压较大时较小。
（2）细测U 1、U 2之间的关系。
（初始油温T 1=15.4℃，结束后油温T 2=15.4℃）首先，我们对U 1—I 进行指数拟合，拟合方程y=ae bx ，其中a=(3.18±0.04)×10-8，b=40.38±0.03，指数拟合的相关系数r >0.99999，可以认为r=1，拟合的相关程度良好，根据理论b=e/kT ，故有k=e/bT ，取e=1.60218×10-19C ， 温度T= 1/2（T 1+T 2）=288.55K ，可以得到玻尔兹曼常数-23J ·s -1，考察k 的不确定度，u(T)=0.1K ，J ·s -1，故-23 J ·s -1,波尔兹曼常数参考值k s =1.38065×10-23J ·K -1，相对误差 。
-23u(k)=001110⨯||100%0.4%s sk kk η-=⨯=作为比较，我们对U 1-I 使用幂指数进行拟合，拟合方程为y=ax b ，拟合图像如上图所示，其中a=(8.8±0.7)×106，b=18.89±0.10，拟合的相关系数r=0.9998，相关程度依然良好，似乎实验数据利用幂函数曲线也可以对其进行拟合。
然而仔细观察我们可以发现，当我们去掉曲线最靠右的四个点后，我们再次用幂函数对其进行拟合，拟合函数仍为y=ax b ，拟合图像如上图所示，其中a=(4.3±0.4)×106，b=17.99±0.13，拟合的相关系数r=0.9997，尽管拟合曲线的拟合度依然良好，但是其拟合曲线的参数发生了非常明显的变化，a 的值由8.8变化至4.3，此外a 值的不确定度也过大，因此我们可以认为利用幂函数对于曲线进行拟合的方法是不可取的。
经过上面的讨论我们可以知道，U1-I 图像符合指数函数关系，因此我们对U 1-lnI 进行线性拟合，线性拟合拟合方程为y=ax+b ，拟合图像如右图所示，其中a=40.52±0.03，b=-17.330±0.012，线性拟合的相关系数r=0.99999，线性相关程度良好。
根据公式可得斜率a=e/kT ，即k=e/aT ，其中e=1.60218×10-19C ，温度T= 1/2（T1+T2）=288.55K ，将参数代入可以得到玻尔兹曼常数k=1.3703×10-23，下面仍然考查其不确定度，u(T)=0.1K ，J ·s -1，故k ±u(k)=(1.3703±0.0011)×10-23 J •s-1, 波尔兹曼常数参考值k s ×10-23 J •K -1，相对误差 ，可以发现坐标变换使误差增大，但仍然很好的验证了指数关系。
二、测量PN 结正向电流I 与正向电压U 1、温度T 之间的关系 （1）粗测PN 结正向电流I 与正向电压U 1、温度T 之间的关系升高油温至19.1℃（初末温均为19.1℃），测量同一U 1下U 2的变化及同一U 2下U 1的变化。
与第一组实验的细测结果相比，对于基本相同的U 1，温度升高3.7℃以后，U 2增大，且温度升高后的U 2约为温度未升高时U 2的1.52-1.63倍，且温度越高倍数比例越小，而对于基本相同的U 2，温度升高3.7℃以后，U 1减小，且温度升高后的U 1约为温度未升高时U 1的0.965-0.98倍，且随着温度的升高倍数比例增大。