半导体PN结的物理特性

半导体PN结的物理特性

简介：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，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。本实验主要研究的两个问题是：

（1）测量PN结扩散电流与电压的关系；

（2）研究PN结电压与热力学温度的关系。

一、实验目的

（1）了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法；

（2）测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数；

（3）测量PN结结电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度；

（4）计算在绝对零度时，半导体材料的禁带宽度。

二、实验仪器：FD-PN-4 PN结物理特性实验仪

三、 实验原理

1．PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量

半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系：

0qU kT

S I I e

= （1）

公式（1）中0I 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。本实验用常规方法测量时，当PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。 2．弱电流测量

实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，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，它可对弱电流放大并转换成电压形式。其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流，r Z 为电路的等效输入阻抗，

f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放大器的输出电压为：

00i U K U =- （2）

由于运放输入阻抗i r 为无限大，反馈电阻f R 流过的电流近似为S I ，

00

00

1

()

(1)i S f f

f

U U U I U R R R K -=

=-+

≈-

（3）

只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得S I ，将上式代入0qU kT

S I I e =可

得： 102qU kT

U U Ae

== （4）

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

3．PN 结结电压be U 与热力学温度T 的关系

图3

当通过PN 结电流为恒定的100u A 时，be U 与T 有如下线性关系：

be go U ST U =+，S 为PN 结温度传感器的灵敏度，go go E qU =为半导体在绝对零

度时的禁带宽度。 四、 实验内容与要求

1．PN 结伏安特性与玻尔兹曼常数

（1）按图联接线路，调节电压1U ，取值在0.3V －0.5V 范围内，依次记下电压1U 和2U 的数值。 （2）对12qU kT

U Ae =两边同取对数变换成线性关系：1

2ln ln qU U A kT

=+

， 令

1q

k kT

=，则211ln ln U k U A =+，根据2ln U 与1U 关系绘出曲线，由曲线求出斜

率1k ，算出1

q k Tk =

。

2．PN 结结电压be U 与热力学温度T 的关系

（1） 按图联接好线路，将被测二极管放入加热孔内，设置好加热的最终温度，

按确定后开始加热。

（2） 加热过程中，分别记录1U 与温度t 的数值，为保持通过二极管的电流为恒

定的100uA 。实验中不断地调节电压输出使2U 的指示始终为1V 。

（3） 由表中数据作be U T -曲线，通过曲线确定S 和go U ，再根据公式go go

E qU =算出半导体的近似禁带宽度。

五、 注意事项

1. 数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式（1）。

2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31C 三极管温度处于恒定时（即处于热平衡时），才能记录1U 和2U 数据。

3. 用本实验仪器完成实验，TIP31C 型三极管温度可采用的范围为室温-50℃。若要在-120℃-0℃温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。

4. 由于各公司的运算放大器（LF356）性能有些差异，在换用LF356时，有可能同一台仪器达到饱和电压2U 值不相同，但不影响实验结果。

5. 本一起电源具有短路自动保护，运算放大器若15V 接反或地线漏接，本实验也有保护装置，一般情况集成电路不易损坏。请勿将二极管保护装置拆除。

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