PN结物理特性的测量
PN结的物理特性实验
量中。
LF356 是一个高输入阻抗集成运算放大 器, 用它组 成的 电流- 电压 变换器( 弱电 流放
大器) , 如图4 .1 .2 所示。其中虚线框内电阻 Zr 为电流- 电压 变换 器等 效输入 阻抗( 弱电
流放大器等效内阻) 。由图4 .1 .2 可知, 运算放大器的输出电压为
Uo = - K0 Ui
量作为已知值代入, 即可得到玻耳兹曼常数 k 。
为了 验 证 式( 4 .1 .2) 及 求 出 准 确 的 e/ k 常 数 , 在 实 际 测 量 中, 选 取 性 能 良 好 的
TIP31 型 硅三 极管( NPN 管) , 接 成 共 基 极 线 路。 实 验 中, 发 射 极 与 基 极 处 于 较 低 的 正
图4 .1 .2 电流- 电压变换图
[ ᇔ僂Ԡಞ] FD- PN- 2 型 PN 结物理特性测 定仪, 其 主要 组 成部 分 有电 源、数 字 电压 表 组 合装 置
( 包括±15 V 直流电源、1 .5 V 直流电源、三位半 数字电 压表、四位 半数 字电 压表) 及 实验 板一块( 由电路图、LF356 运算放 大器、印 刷电路 引线、多 圈电 位器、接 线 柱等 组成) , 带 3 根引线的 TIP31 型硅三极管, 温度计。 [ ᇔ僂ᇯ]
( 1) 将测得的 U1 和 U2 各对数据, 以 U1 为自变量, U2 作因变量, 分别代入: ①线性函
数 U2
=
a U1
+
b;
②乘幂函数 U2
=
a
Ub 1
;
③指数函数 U2
=
aexp(
b U1 )
,
求出各函数相应的 a
和b 值, 得出3 种函数的经验公式。
半导体pn结的物理特性及弱电流测量实验
半导体pn结的物理特性及弱电流测量实验半导体pn结是常见的半导体器件之一，由p型半导体和n型半导体构成。
与其它半导体器件相比，它有很多特殊的物理特性。
首先，当p型半导体和n型半导体结合时，两种材料的掺杂离子会互相扩散，导致接触面区域形成一个空间电荷区。
这个区域中没有载流子，因此是不导电的。
在pn结正侧和负侧形成了电位差，负侧形成了减小电位相对于正侧，就形成了内建电场。
这个电场会阻止载流子（即电荷）通过pn结。
当向pn结外加电压时，如果外加电压与内建电场方向相反，则内部电场减弱，载流子的移动就更容易了，流动性能增强；反之外部电场增强内部电场，丝毫不利指导电流的流动，参极熑阻挡作用，这就是pn结的整流特性，即所谓的势垒效应。
由于pn结的势垒效应，它可以将电流的方向限制在一个方向上，使其变成单向导电，即只有在正向电压下才能导通，反向电压下是不导通的。
这个特性非常有用，例如在电子电路中可以用它来作为整流器、稳压器、放大器等器件。
此外，由于pn结的导通特性，其本身也可以被用来制造发光二极管、太阳能电池等器件。
在弱电流测量实验中，pn结也被广泛应用。
由于pn结在反向偏置时具有可靠的硬特性，可以被用来作为电流表的电压比较器，在电流表中起到非常重要的作用。
这种电压比较器又称为伏安电路，可以将电流转换成电压，测量微弱电流。
具体而言，电流I进入测量电路，经过一个电阻R后进入远端的伏安电路（即pn结），由于其反向偏置，只有微小的正向漏电流I流经伏安电路，并引起一个微小的电压降U，这个电压降就是I通过伏安电路时所产生的电势差，按照欧姆定律，U/R=I，即可转化为电流的大小。
通过这种方法，研究者可以测量非常微小的电流，比如常常需要测量光电器件、二极管、甚至可以用来研究生物体内的电流等。
总之，半导体pn结的物理特性和其在弱电流测量实验中的应用对于电子学研究和工程实践具有非常重要的意义。
实验46 PN 结的物理特性及玻尔兹曼常数测定
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也是常数；U0 为绝对零度时 PN 结材料的导带底和价带顶间的电势差；I 为二 极管的正向电流。 将 (4)式代入 (3)式，由于 e qU / kT 1 ，两边取对数可得
U U0 (
kT c kT ln ) ln T r q I q
（ 5）
其中非线性项
kT ln T r 相对甚小，可以忽略。 q
实验 46
PN 结的物理特性及玻尔兹曼常数测定
温度是一个历史很长的物理量，为了测量它，人们发明了许多方法。温度传 感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可连续测量 等优点。其中热电偶1、热敏电阻和 PN 结是常用的温度传感器，广泛应用于自动 控制、温度测量等现代技术中。 【实验目的】 了解半导体热敏电阻、 PN 结的电输运的微观机制及其与温度的关系； 了解利用半导体热敏电阻的电压 -温度曲线拟合计算热敏电阻的温度系数 （热敏指数）的原理； 了解利用半导体 PN 结的电压 -温度曲线计算 PN 结绝对零度下的禁带宽 度（ Eg0）和玻尔兹曼常数 k 的原理； 测量半导体热敏电阻的电压 -温度曲线； 测量半导体 PN 结的电压 -温度曲线； 【实验仪器】 PN 结的物理特性及玻尔兹曼常数测定仪， 热敏电阻和 PN 结温度传感器， 导线，数据线，电源。 【实验原理】 1．半导体热敏电阻物理特性： 半导体材料的热电特性最为显著，因此，也最常用作温度传感器。一般 而言，在较大的温度范围内，半导体都具有负的电阻温度系数。半导体的导 电机制比较复杂，起电输运作用的载流子为电子或空穴。载流子的浓度受温 度的影响很大，因此半导体的电阻率受温度影响也很大。随着温度的升高， 热激发的载流子数量增加，导致电阻率减小，因此半导体呈现负的电阻温度 系数关系。 但在半导体中存在晶格散射、 电离杂质散射等多种散射机制存在， 使得半导体具有非常复杂的电阻温度关系。在实际应用中，半导体的导电性 质往往通过搀杂工艺来调控，掺杂杂质原子的激发对半导体的电输运性能产 生很大的影响。虽然半导体具有非常复杂的电阻温度关系，不能用一些简单 的函数概括，但在特定温度区间，其电阻温度关系可以用经验公式来概括， 如本实验中用的半导体热敏电阻，它的阻值与温度关系近似满足下式：
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。
pn结特性测量
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U 与热力学温度beT 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一电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。
4、测量PN 结结电压U be 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 W026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则eeu/KT >>1,（1）式括号内-1项完全可关系满足：LeU/KT11(1)u 0=-K 0u i (3)以忽略，于是有：IIe 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 。
PN结物理特性的测量
.::PN结物理特性的测量::.图一PN结物理特性的测量实验装置全图伏安特性是PN结的基本特性，测量PN结的扩散电流与PN结电压之间的关系，可以验证它们遵守波尔兹曼分布，并进而求出波尔兹曼常数的值．PN结的扩散电流很小，为10-6～10-8 A数量级，所以在测量PN结扩散电流的过程中，运用了弱电流测量技术，即用运算放大器对电流进行电流-电压变换。
图二PN结形成示意图.::实验预习::.1. LF356运算放大器介绍利用LF356运算放大器可以组成电流-电压变换器，如图1所示．LF356运算放大器是一个集成运算放大器，Rf为反馈电阻，若Rf → ∞时，输出电压U0与输入电压Ui的比值叫做运算放大器的开环增益K0．运算放大器的输入阻抗r很大，理想情况下r → ∞，可以认为反馈电流等于信号源的输入电流Is．Zr为电流—电压变换器的等效输入阻抗，因为反馈电流等于信号源的输入电流Is，输入电流Is可以写为【实验内容】实验线路图如图1所示．在常温和零温（冰水混合物）下测量硅三极管发射极与基极之间的电压U1和相应的LF356输出电压U2 ．通过调节100可调电位器改变U1的值，尽量在线性区域多测量数据点．根据公式（7）拟合求波尔兹曼常数k B．.::实验仪器::.【实验仪器】±15V 直流稳压电源，TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器，四位半数字万用表，电阻，电容，电位器，导线，实验接线板等．TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器的管脚如图2所示．图3.::思考题::.【思考题】1．得到的数据一部分在线性区，一部分不在线性区，为什么？拟合时应如何注意取舍？数据不在线性区有两种情况：1.u1较小时，2.u1较大时1）.u1较小时，公式不满足2）.u1较大时，p-n结所通过的电流虽可增加，但放大器的输出电压达到饱和。
2．减小反馈电阻的代价是什么？对实验结果有影响吗？反馈电阻减小使输出电压减小，在一定范围瑞影响不大.::参考资料::.有关PN结的介绍纯净的半导体称为本征半导体，为研究半导体的性质，必须对其掺杂形成P 型半导体和N型半导体（掺杂的浓度可以达到1017个/cm3）。
半导体PN结的物理特性测量 终定稿
半导体PN 结的物理特性测量实验目的（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。
实验仪器PN 结物理特性实验仪实验原理1．PN 结介于导体与绝缘体之间的物质叫半导体，在半导体中只有一种载流子导电，只有电子（负电荷）导电的半导体叫N 型半导体，只有空穴（正电荷）导电的半导体叫P 型半导体。
以一定的工艺制成的P 型半导体和N 型半导体相邻的交接处，由于自由扩散形成的结叫PN 结。
三极管制造工艺的特点：发射极高掺杂浓度；基极很薄几微米到十几微米，减小复合电流；集电极低掺杂浓度，面积较大，有利于接收电子。
发射结正向偏置，集电结反向偏置。
2．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：0qUkTS 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。
3. 弱电流测量实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，加在三极管B 、E 间的电压1U 则通过的电流为e I ，三极管电流分布满足eb c I I I =+，又因为b I 很小，所以e c I I ≈；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，把c I 放大成2U ，且它们之间满足线性关系，因此可以说1U 与2U 之间满足指数函数关系，那么1U 与流过PN 结的电流e I 也满足指数关系。
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 ，00001()(1)i S f ffU 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 kTS I I e=可得：102qU kTU U Ae== （4）图2 电流－电压变换器实验内容（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。
半导体pn结的物理特性及弱电流测量
半导体pn结的物理特性及弱电流测量半导体 PN 结的物理特性：1. 堆积区与耗尽区：在 PN 结中，PN 结两侧有一个堆积区和一个耗尽区。
堆积区是在 PN 接触处的一侧，其中 N 区的自由电子会向 P 区扩散，而 P 区的空穴会向 N 区扩散。
耗尽区是在堆积区的另一侧，其中电子和空穴被扩散后形成的正负离子互相吸引，形成一个没有可自由移动电荷的区域。
2. 正向偏置：当在 PN 结上施加正向电压时，电子从 N 区向 P 区移动，空穴从 P 区向 N 区移动，导致堆积区的宽度变窄。
此时电流从 P 区流向 N 区，称为正向电流。
3. 反向偏置：当在 PN 结上施加反向电压时，电子被吸引进 N 区，空穴被吸引进 P 区，导致堆积区的宽度增加。
这时几乎没有电流通过 PN 结，称为反向电流。
当反向电压过大时，会发生击穿现象，此时电流急剧增加。
4. PN 结的导电特性：在正向偏置下，PN 结导电特性近似于理想二极管，正向电流随着正向电压的增加呈指数型增长。
在反向偏置下，PN 结导电特性近似于理想断路器，基本没有电流通过。
弱电流测量：弱电流测量是指对非常小的电流进行测量。
由于电流非常微弱，存在一些测量上的困难和限制。
常见的弱电流测量方法有以下几种：1. 电流放大：由于弱电流不能直接测量，通常需要将其放大到可以测量的范围。
放大器可以选择放大电流，提高信号的幅度。
2. 高阻抗电路：在测量弱电流时，需要使用高阻抗电路，以最大程度地减小电流的流失。
高阻抗电路可以降低电流流过测量电路时的电压降，从而减小电流的误差。
3. 屏蔽环境干扰：由于弱电流非常微弱，容易受到环境中的电磁干扰影响。
屏蔽环境干扰可以采取一些措施，例如使用屏蔽罩、信号隔离等，减小干扰对弱电流测量结果的影响。
4. 温度控制：温度的变化也会对弱电流测量产生影响。
通常需要对测量环境进行温度控制，确保测量的稳定性和准确性。
需要注意的是，弱电流测量需要仪器设备的高灵敏度和高精度，同时也需要严密的实验条件和精确的操作技巧。
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
半导体PN结的物理特性测量
半导体PN结的物理特性及弱电流的测量［摘要］本文利用PN 结正向压降温度特性测试仪，测量了PN 结电压电流特性。
验证了PN 结电压与电流的指数关系，并利用Excel 进行曲线拟合，再计算出玻尔兹曼常数，用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流［关键词］PN结玻尔兹曼常数指数拟合弱电流测量1.引言基本物理常数如电子电量e、电子荷质比e/m、普朗克常数物理h、光速c 等的测量，在实验物理发展过程中具有重要地位。
利用PN 结正向压降温度特性测试仪测试出PN 结正向压降与电流，再进行数据拟合并计算出玻尔兹曼常数K，用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流2.实验仪器FD-PN-4型PN结物理特性测定仪3.实验原理1. 在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
基本特性在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质（离子）是固定不动的。
N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P 型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区（图1）。
P型半导体一边的空间电荷是负离子,N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
PN结在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。
第六章 pn结的特性测试
pn结阻剖面分布法（SRP）
二次离子质谱法(SIMS)
1) 扩展电阻剖面分布法（SRP）
图6.4 两种外延片电阻率分布 图6.5 基区和发射区的扩散分布
2）二次离子质谱(SIMS)法
• 基本原理
利用能量为1～20KeV的离子束照射在固体表面 上，激发出正、负离子（溅射），利用质谱仪对这 些离子进行分析，测量离子的质荷比和强度，从而 确定固体表面所含元素的种类和数量。
SIMS 主要应用于对掺杂、杂质沾污和材料成 份的定量分析。由于它具有极高的灵敏度 （10ppb），特别适合于对半导体材料的分析。
仪器外观
利用SIMS进行器件失效分析
两种测量方法比较：
（1）扩展电阻法适用结深较大的情况 （>0.1um），需要通过磨角使结点暴露出来，使其 相对于水平面易于观察和测量。测量原理与装置比 较简单，易于操作。 （2）二次离子质谱法适合结深较浅的材料，是 一种测量精度很高且无损的测量方法。但测量装置 复杂，设备昂贵，需专门人员操作。
特征尺寸从4μm~70nm的成比例减少的线条
特征尺寸越小,集成度就高,在同一面积上就集成更 多电路单元.目前的规模化生产是0.18μm、0.13μm 工艺，Intel和AMD公司目前的大部分芯片生产线宽 是45nm或65nm。
第六章 思考题（不做）
1、理解扩展电阻剖面分布法（SRP）的测量原理与方法。
2、哪些方法可以测量材料的掺杂浓度分布？哪些方法可以测量
pn结的结深？各自有什么特点？
3、pn结特性评估时，为什么需要测量结深？结深浅和结深大的
pn结在电学特性上存在什么差异？ （需结合半导体物理相关知
识理解）
【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
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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结物理特性测试
给定的 PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度也随温度的高低 而有所 不 同 ， 这 是 非 线 性 项 Vn1 引 起 的 ， 由 Vn1 对 T 的 二 阶 导 数
的变化与 T 成反比，所以 VF-T 的线性度在高温端优于 低温端，这是 PN 结温度传感器的普遍规律。 此外，由（4）式可知，减小 IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前 行之有效的方法大致有两种： I． 利用对管的两个 be 结 （将三极管的基极与集电极短路， 与发射极组成一个 PN 结） ， 在不同电流 IF1、IF2 下工作，由此获得两者之差（VF1-VF2）与温度成线性函数关系， 即
（9） 由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍存在差距，但与单个 PN 结相 比， 其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成 电路 温度传感器。 II．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自 Tr 项， 利用函数发生器，IF 正比于绝对温度的 r 次方，则 VF—T 的线性理论误差△=0。实 验结果 与理论值会比较一致，其精度可达 0.01℃。 实验内容： 1. 实验系统检查与连接 （1）左手扶隔离圆筒上盖“J” ，右手扶隔离圆筒的筒套“A” ，取下圆筒的筒套，检查 待测 PN 结管“D”和测温元件“C”应放在测试圆铜块“B”的左右两侧圆孔内，其 管脚 应不与容器接触，然后套上筒套“A” 。 （2）将测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮“5”逆时针旋到底，使加热器电流 IH 指示“0.000”A，接上加热器电源线和七芯信号传输线。将七芯屏蔽电缆信号线的插头 端接至加热测试装置顶部的插座“H” ，连接时，应先将七芯插头与七芯插座的凹凸定 位 槽对准，再按下插头线便可插好。 将七芯屏蔽电缆信号线另一端 PN 结的两组红黑香蕉插头分别接至测试仪面板的 “12” “13” “14” “15”插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 再将七芯屏蔽电缆信号线另一端的温度传感器输出端的红黑香蕉插头，接至测试仪 面板的“16” “17” 插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 拆除信号线时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬 拉，否则可能拉断引线影响实验。 打开电源开关，预热几分钟后，此时测试仪上的温度表（ “4” ）将显示出室温 TR，
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结物理特性朱赛健
的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温T=300K
时，kt / e≈0.026V ，而PN结正向压降约为0.1V的数
量级，则
exp，括号内 -1项完全可以忽略，于
是有：
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，则可以求出e/kT。在测得温度 T后，就可以得到e/T常数，把电子电量作为已知值
流只流经反馈网络构成的通路。因而有：
可得电流—电压变换器等效输入阻抗Zr为
可得电流—电压变换器输入电流Is输出电压U0之 间得关系式，即：
只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr
和IS值得大小。对LF356运放的开环增益
K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为
代入，即可求得玻尔兹曼常数。
U
I I0(ekT 1)
实验线路如图所示
100Ω 1.5V
1M
TIP31
ec
7 +15V 2-
LF356 6
b
3+
V1
4 -15V V2
TIP31
b ce
8 76 5
LF356
1 23 4
加在三极管B，E间的电压U1则通过的电 流为Ie,三极管电流分布满足Ie=Ib+Ic,又 因为Ib很小，所以Ie约为Ic；通过理想运 放器把Ic放大成U2，且它们之间满足指 数关系，那么U1与流过PN结的电流Ic也
理测量中。
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),如图所示。其中 虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。
由图可知，运算放大器的输入电压U0为：
PN结特性测试实验指导书Z1703
6
附录：实验数据记录表格样式（供参考）
附表 1 玻尔兹曼常数测试实验数据记录表
T 30C
T XX C
U (mV )
300 310 320 „„ 400 410 420 „„ 500 510 520 „„ 600 610 620 „„
I (nA)
ln I
I (nA)
ln I
5
PN 结特性测试实验指导书 附表 2 PN 结温度特性测试实验数据记录表( I F
300K ）时， kT / q ≈0.026V ，而 PN 结正
向电压降约为十分之几伏，则 e qU / kT >>1，于是有：
I I 0 exp( qU / 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（2）式可以 求出 q / kT 。在测得温度 T 后，就可以得到 q / k 常数，把电子电量 q 作为已知量代入，即可求 得玻尔兹曼常数 k 。（ q
七、参考资料
［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学（第 7 版）.北京：电子工业出版社. 2008. ［2］（美） Donald A.Neamen 著，赵毅强等译. 半导体物理与器件（第 3 版）. 北京：电子工 业出版社. 2005. ［3］黄昆，谢希德.半导体物理学. 北京：科学出版社. 1958.
4
PN 结特性测试实验指导书
接触，并防止剧烈碰撞。
六、思考练习题
1．为什么不直接用半导体硅二极管，而是用半导体硅三极管，并将其 B 极与 C 极短接来做被 测样品？ 2. 为什么说，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？ 3. 为获得较为准确的 V T 实验数据，在测量操作时应该注意些什么？
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.::PN结物理特性的测量::.
图一PN结物理特性的测量实验装置全图
伏安特性是PN结的基本特性，测量PN结的扩散电流与PN结电压之间的关系，可以验证它们遵守波尔兹曼分布，并进而求出波尔兹曼常数的值．PN结的扩散电流很小，为10-6～10-8 A数量级，所以在测量PN结扩散电流的过程中，运用了弱电流测量技术，即用运算放大器对电流进行电流-电压变换。
图二PN结形成示意图
.::实验预习::.
1. LF356运算放大器介绍
利用LF356运算放大器可以组成电流-电压变换器，如图1所示．LF356运算放大器是一个集成运算放大器，Rf为反馈电阻，若Rf → ∞时，输出电压U0与输入电压Ui的比值叫做运算放大器的开环增益K0．运算放大器的输入阻抗r很大，理想情况下r → ∞，可以认为反馈电流等于信号源的输入电流Is．Zr为电流—电压变换器的等效输入阻抗，因为反馈电流等于信号源的输入电流Is，输入电流Is可以写为
【实验内容】
实验线路图如图1所示．在常温和零温（冰水混合物）下测量硅三极管发射极与基极之间的电压U1和相应的LF356输出电压U2 ．通过调节100可调电位器改变U1的值，尽量在线性区域多测量数据点．根据公式（7）拟合求波尔兹曼常数k B．
.::实验仪器::.
【实验仪器】
±15V 直流稳压电源，TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器，四位半数字万用表，电阻，电容，电位器，导线，实验接线板等．
TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器的管脚如图2所示．
图3
.::思考题::.
【思考题】
1．得到的数据一部分在线性区，一部分不在线性区，为什么？拟合时应如何注意取舍？
数据不在线性区有两种情况：1.u1较小时，2.u1较大时
1）.u1较小时，公式不满足
2）.u1较大时，p-n结所通过的电流虽可增加，但放大器的输出电压达到饱和。
2．减小反馈电阻的代价是什么？对实验结果有影响吗？
反馈电阻减小使输出电压减小，在一定范围瑞影响不大
.::参考资料::.
有关PN结的介绍
纯净的半导体称为本征半导体，为研究半导体的性质，必须对其掺杂形成P 型半导体和N型半导体（掺杂的浓度可以达到1017个/cm3）。
当P型和N型半导体通过工艺方法结合，在两者的交接面处就形成PN结。
当不加外电压时，每个区域中的多数载流子都向较低浓度的区域扩散(电子从N型区向P型区扩散；空穴从P型区向N型区扩散)。
这就在结中留下丁固定的电离中心(施主和受主)，形成一个空间电荷区域(耗尽层)，该区有一个从N型区指向P型区的电场。
在N 型区与P型区之间存在一个电动势，它对载流子建立起—个势垒并使N型区的能量比P型区的低一些。
当费米能级在整个材料内为一常数时，平衡才能达到。
这种扩散电流被少数载流子电流(电子从P型向N型扩散，空穴从N型向P型扩散)所补偿。
当加上偏压时势垒高度或者变低或者升高。
在第一种情况下(加正向偏压)，扩放电流随电压十分迅速地增加，在第二种情况下(加反向偏压)，仅仅由于少数载流子引起的电流是很小的，并随着所加的电压有很微小的变化(同正向电流比较)。
其实，我们所说的二极管就是一个PN结，具有单向导通性。
通过试验可以得到二极管的伏安特性。