大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用
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。
大学物理实验报告实验55PN结正向电压温度特性的测定
大学物理实验教案实验名称：PN 结正向电压温度特性的测定1 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。
2 实验仪器科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机3 实验原理3.1实验原理PN 结是半导体器件的核心。
在P （或N ）型半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N （或P ）型，这样，在两种材料交界处就形成了PN 结，它保持了两种材料之间晶格的连续性。
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平衡。
我们把这个空间电荷区叫PN 结，有时也叫作耗尽层。
根据半导体理论，通过PN 结的正向电流e I IkT qV s f =（1） 式中：I f ——正向电流（mA ）；V f ——正向压降（V ）；I s ——反向饱和电流（mA ）；q电子电量（e ）；k ——波尔兹曼常数；T ——热力学温度（K ）。
而：e T I kT V goq B A s -=（2）式（2）中：V go ——能带间隙电压（V ）；A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
由（1）、（2）式经整理后，PN 结正向压降的温度灵敏度S 为：)(q kB T f go dT f d S V V V +--== （3）根据这一特性，PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。
把待测的PN 结放置热源中，并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流，PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后，连接到自定义电压传感器来测量电压。
大学物理实验报告23-PN结温度传感器特性
天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 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。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】PN结正向电压温度特性研究实验报告
PN 结正向电压温度特性研究一、实验目的（1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
（2）在恒流供电条件下，测绘PN 结正向电压随温度变化的关系图线，并由此确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
二、实验仪器PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ5温度传感器实验装置。
三、实验原理1、测量PN 结温度传感器的灵敏度 由半导体理论可知，PN 结的正向电流I F 与正向电压V F 满足以下关系：I F =I n (ⅇqV FkT−1)（1）式（1）中I n 是反向饱和电流，T 是热力学温度，q 是电子的电量。
由于在常温（例如300K ）时，kT/q 约为0.026V ，而PN 结正向电压约为十分之几伏，所以ⅇ^((qV_F)/kT)≫1，故式（1）中括号内的−1项完全可以忽略，于是有： I F =I n ⅇqV F kT（2）其中，I n 是与PN 结材料禁带宽度及温度等有关的系数，满足以下关系：I n =CTγⅇqV g0kT（3）式（3）中C 为与PN 结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，γ在一定温度范围内也是常数，V g0为热力学温度0K 时PN 结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN 结，V g0是一个定值。
将式（3）代入式（2），两边取对数，整理后可得：V F =V g0−(k q ln C I F )T −kTqln T γ=V 1+V nr （4）其中V 1=V g0−(k q ln CI F)T （5） V n r =−kTqln T γ （6）根据式（4），对于给定的PN 结材料，令PN 结的正向电流I F 恒定不变，则正向电压V F 只随温度变化而变化，由于在温度变化范围不大时，V n r 远小于V 1，故对于给定的PN 结材料，在允许的温度变化范围内，在恒流供电条件下，PN 结的正向电压V F 几乎随温度升高而线性下降，即 V F =V g0−(k q ln CI F)T（7）为了便于实际使用对式（7）进行温标转换，确定正向电压增量∆V [与温度为0℃时的正向电压比较]与用摄氏温度表示的温度之间的关系。
PN结正向电压温度特性研究
PN结正向电压温度特性研究PN结是半导体器件中最基础的结构之一，其正向电压温度特性的研究对于半导体器件的设计和制造具有非常重要的意义。
正向电压温度特性主要是指PN结在正向偏置条件下随着温度的变化，其导通电流呈现的变化趋势。
本文将从PN结的基本原理入手，阐述PN结正向电压温度特性的研究现状和未来发展趋势。
一、PN结的基本原理PN结是由n型半导体和p型半导体制成的，两者在接口处形成一个p区和一个n区。
在无外加电场的情况下，内部电子和空穴随机运动，处于热平衡状态。
当施加正向偏置电压时，p区和n区内部的自由载流子（电子和空穴）向接合区域移动，形成电流。
这时，p 区的空穴向n区的电子流动，这些电子被空穴俘获形成电子-空穴对，释放出固定在接合区的禁带电荷。
随着电子-空穴对的生成增多，禁带电荷也随之增加，导致PN结的势垒变得更高。
在一定的偏压下，电子-空穴对的生成速度与重组速度达到平衡，此时PN结处于稳态。
PN结正向电压温度特性的研究主要涉及到 PN结正向电流-电压特性及其随温度的变化趋势。
在温度变化的情况下，PN结的导通电流变化可以表现为电压-电流特性曲线的整体移位或形状的变化。
现有的研究主要从理论和实验两个方面入手。
1. 理论研究理论研究主要基于PN结的基本原理，采用经典物理学和量子力学的方法，通过解析或数值计算得到PN结导通电流的温度特性。
早期的计算方法主要基于PN结的物理特性，如Shelter位反式结、插入层结等。
这些计算方法主要集中在温度小于300K的情况下，随着计算机技术的发展，现在可以采用更加先进的数值计算方法来模拟PN结的正向电流-电压特性，如Monte Carlo模拟、自洽场模拟等。
这些方法可以很好地模拟PN结的电流-电压曲线和随温度变化的趋势，为PN结正向电压特性的研究提供了有力的支持。
2. 实验研究实验研究主要通过制备不同结构和材料的PN结样品，测量其正向电流-电压特性，并研究其随温度的变化趋势。
实验41 pn结正向压降温度特性研究(luo)
ΔV 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 ......
t tr
≈100℃
tr ≈ 室温
第二组同学做降温实验（从100℃左右开始）
先将ΔV 值调为0，降温后达到表中第一行各值时记录下对应的温度填入第二行。
ΔV 0 10 20 30 40 50 60 ......
t tr
tr ≈ 100° C
1
一、实验目的
1. 了解PN结正向电压随温度变化的基本规律； 2. 测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化的曲
线； 3. 确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料的禁
带宽度。
2
二、实验原理
1.PN结温度传感器的基本方程 在温度为T 时，PN结的正向电压公式可写为
VF = V 1 + Vnγ
其中
V1
Vg(0) = VF (tr ) + (273.2 + tr )S
④按下式进一步算出PN结材料的禁带宽度。
Eg(0) = q[VF (tr ) + (273.2 + tr )S ]
⑤按书上要求对实验结果进行分析比较。
7
数据处理要求
1. 按教材要求处理数据。 2. 用标准的坐标纸作图。 3. 数据处理应该有过程，单位，不能只写出结果. 4. 进行结果讨论。
23
由此可得 ΔV = −S(T − TR ) = −S(t − tR ) T = 273.2 + t 若令 tR = 0° C ，则 ΔV 表示为:
ΔV = −St 摄氏温标下的测温原理公式4
2.PN结材料的禁带宽度 PN结材料的禁带宽度定义为
Eg (0) = qVg (0)
Vg(0) — 热力学温度为0K时，PN结材料的导带底和
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的研究实验报告
实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究 实验目的：1) 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
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) 学习用PN 结测温的方法。
实验原理：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 FF = （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[kTqV CT Is g r-= （2）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 Fg F V V InT q kT T I c In qkV V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。
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，VF 应取如下形式： )(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TVF ∂∂值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0(（6）所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想 （7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=*,由（8）式可得=，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
大学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告(完整)
PN 结正向压降与温度特性的研究一、实验目的1． 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
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． 学习用PN 结测温的方法。
二、实验原理理想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 FF = （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[kTqV 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 IcIn q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中()rn F g InT qKTV T Ic 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，VF 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。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0( （6） 所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
pn结正向压降与温度关系的研究实验报告.doc
pn结正向压降与温度关系的研究实验报告.doc
实验原理：p-n结是半导体器件中最基本的一种，其具有单向导电性能，因此在正向
偏置时，电流可流通，反向偏置时电流不能流通。
在实际应用中，p-n结的正向偏置电压
往往是一个重要的参数，因此研究正向压降随着温度的变化规律有着重要的意义。
实验步骤：
1.准备相应的实验材料：p-n结柱、万用表、稳压源、温度计、热电偶、直流电源等。
2.将p-n结柱插入稳压源的输出端，接通电源，并将万用表的正负极分别接在正负极
之间，记录下正向偏置的电压值。
3.将热电偶紧贴p-n结表面，记录下当前的温度值。
4.分别改变p-n结的温度值，并记录正向偏压下的电压值，得到多组数据。
5.根据实验数据，绘制电压-温度曲线图，进行分析。
实验数据记录：
| 温度（℃）| 正向偏压（V）|
| -------- | -------- |
| 20 | 0.35 |
| 30 | 0.32|
| 40| 0.29|
| 50| 0.26|
| 60| 0.23|
数据处理：
将所得数据画成图表，可以看出正向偏压随着温度的升高而逐渐降低。
结论：
从实验结果可以看出，p-n结正向偏压随着温度的升高而逐渐降低，这是由于随着温
度升高，半导体材料中的自由载流子浓度会增加，这会导致势垒高度的减小，从而使正向
偏压下的电压降低。
因此，在半导体器件的实际应用中，需要注意温度变化对其性能的影响，合理的散热设计可以有效提高器件的工作可靠性。
PN结正向压降及温度关系的研究报告实验报告
PN 结正向压降与温度关系的研究实验报告一、实验目的〔1〕了解PN 结正向压降随温度变化的根本关系，测定PN 结F F V I -特性曲线及玻尔兹曼常数；〔2〕测绘PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN 结材料的禁带宽度；〔3〕学会用PN 结测量温度的一般方法。
二、实验仪器SQ-J 型PN 结特性测试仪，三极管〔3DG6〕，测温元件，样品支架等。
三、实验原理1．PN 结F F V I -特性及玻尔兹曼常数k 的测量：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F I 与正向电压F V 满足以下关系F I =s I 〔e*p kTeV F -1〕⑴ 式中e 为电子电荷量、k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，s I 为反向饱和电流，它是一个与PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。
由于在常温〔300K 〕下，kT/q=0.026,而PN 结的正向压降一般为零点几伏,所以e*p kTeV F ",1上式括号的第二项可以忽略不计,于是有 kT eV Is I F F exp=⑵ 这就是PN 结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,假设测得半导体PN 结的F F V I -关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T 后,就可得到e/k 常数,将电子电量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F F V I -关系虽能较好满足指数关系，但求得的k 值往往偏小，这是因为二极管正向电流F I 中不仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。
如耗尽层复合电流.、外表电流等。
在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路〔集电极与基极短接〕，集电极电流中不包含复合电流。
假设选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则外表电流的影响可忽略。
此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的e/k 常数。
大学物理 PN结温度特性
样品架
引线架
TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪
3．PN结测温原理和温标转换
对给定的PN结材料，在允许的温度变化区间内，在 恒流供电条件下，PN结的正向电压VF对温度的依赖关 系取决于线性项V1，正向电压VF几乎随温度升高而线 性下降。即
这就是PN结测温的依据。 温度T是热力学温度，在实际使用时会有不变之处， 为此，我们进行温标转换，采用摄氏温度 t 来表示。 即 T=273.2+t 令VF在室温时的值为VF（tR）,则在TK时VF的 值为 代入公式（3），有
（2）
式中C是与PN结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，r在一定范围内也是常数，Vg（0）为热 力学温度0K时PN结材料的导带底与价带顶的电势差，对 于给定的PN结材料，Vg（0）是一个定值。
将公式（2）代入公式（1），两边取对数，整理后可得：
（3）
其中
，
式（3）是PN结正向电压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。
设t=tR 0C时，令
=0，则有
（4）
而对于其它温度t0C有
定义
为PN结温度传感器灵敏度，则有
或
（5）
这就是PN结温度传感器在摄氏温标下的测温原理公式。
4． 确定PN结材料的禁带宽度
PN结材料的禁带宽度Eg（0）定义为电子的电量q与热力 学温度0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差Vg（0） 的乘积，即 由公式（4），可得
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
大学物理实验：PN结
三 、实 验 装 置 实
PN结样品架 1、PN结样品架
A为样品室，是一个可 为样品室， 卸的筒状金属容器， 卸的筒状金属容器， 筒盖内设橡皮圈盖与 筒套具相应的螺纹， 筒套具相应的螺纹， 可使两者旋紧保持密 封。 待测PN PN结样管采用 待测PN结样管采用 3DG6晶体管 3DG6晶体管
P1
P2
其中C是一个与结面积、掺杂浓度等有关的常数， 其中 C 是一个与结面积 、掺杂浓度等有关的常数 ， r 也 是常数，Vg(0 为绝对零度时PN PN结材料的导带底和价带顶 是常数， Vg(0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶 的电势差。 的电势差。 式代入( 两边取对数可得： 将(2)式代入(1)式，两边取对数可得：
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
浙江大学物理实验中心
随着半导体器件工艺技术的提高以 及人们不断的探索， PN结以及在此基 及人们不断的探索， PN结以及在此基 础上发展起来的晶体管系列温度传感 巳经成为一种新的测温技术， 器，巳经成为一种新的测温技术，广 泛被应用在各个领域。 泛被应用在各个领域。 据实际应用，PN结作为温度传感器 据实际应用，PN结作为温度传感器 具有灵敏度高、 线性好、 具有灵敏度高、 线性好、热电效应快 和体积小等优点， 和体积小等优点，尤其是在温度数字 化、温度控制及用微机进行温度实时 讯号处理与控制等方面， 讯号处理与控制等方面，都是其它温 度传感器所不能相比的优越性。 度传感器所不能相比的优越性。
一、实 验 目 的
1、了解PN结测温基本原理和应 了解PN结测温基本原理和应 PN 用 。 2、验证PN结正向压降随温度升 验证PN结正向压降随温度升 PN 高而降低的特性。 高而降低的特性。 3、学会使用PN结温度传感器测 学会使用PN结温度传感器测 PN 试仪。 试仪。
大学物理实验课件 实验5.3 PN结的特性
实验5.3 PN结的特性物理系：张师平北京科技大学物理系张师平引言•PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特点，广泛应用于温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面。
•目前，结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。
北京科技大学物理系张师平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。
北京科技大学物理系张师平北京科技大学物理系张师平实验原理——PN结的I-V特性北京科技大学物理系张师平实验仪器•QS-J型PN结正向压降温度特性实验组合仪北京科技大学物理系张师平测量1.测定玻尔兹曼常数k——测得常温下Si管PN结的I F-V F关系，并将所得到的结果与标准值k=1.3807×10-23J/K相比较。
2.V F(T R)的测量：开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到IF ，由“IF调节”使I F=50μA。
再将K拨到V F，记下V F(T R)值，再将K置于ΔV，调节ΔV使ΔV=0。
北京科技大学物理系张师平3.测定ΔV～T曲线：取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的ΔV和T，至于ΔV、T 的数据测量，可按ΔV每改变10mV(Si)或5mV(Ge)读取一组ΔV、T，这样可减小测量误差。
应该注意：在整个实验过程中，升温速率要慢，且温度不宜过高，Si管测量升温（室温～85℃），Ge管测量降温（45℃～室温）。
4.求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/℃）。
做ΔV～T曲线，其斜率就是S。
5.估算两种被测PN结材料的禁带宽度：E g(0)=qV g(0)北京科技大学物理系张师平注意事项：1.加热电流要缓慢增加，每分钟增加0.1A，直到0.5A为止，不再增加。
2.不要用手触碰PN结以及测温原件，以免损坏仪器。
大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
实验题目: PN 结正向压降温度特性的研究实验目的:1.了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
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.学习用PN 结测温的方法。
实验原理:理想PN 结的正向电流S I 和压降F V 存在如下近似关系)exp(kTqV I I FS F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；S I 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[kTqV CT I g r S -= （2）其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数；r 也是常数；)0(g V 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 IcIn q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中()rn F g InT qKT V T IcIn 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=F I 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1V 外还包含非线性项1n V 项所引起的线性误差。
设温度由1T 变为T 时，正向电压由1F V 变为F V ，由（3）式可得[]rF g g F T T Ln q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，F V 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）TV F ∂∂1等于1T 温度时的T V F ∂∂值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0( （6） 所以()[]()rT T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想（7） 由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设K T 3001=，K T 310=，取4.3=r ,由（8）式可得mV 048.0=∆，而相应的F V 的改变量约mV 20，相比之下误差甚小。
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。
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结正向压降与温度关系的研究(黄)实验报告
根据⑷式，略去非线性，可得
Vg= VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S·ΔT
ΔT=-273.2ºK为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。
四．实验装置：
实验用具由样品架和测试仪两部分构成,样品架结构如图所示,其中A为样品室。待测样品PN结管是将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极,其发射极作为负极构成的一只二极管，它和测温元件(AD590)均置于铜座B上,待测PN结的温度和电压信号输入测试仪。
一．实验目的：
1.了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结 特性曲线及玻尔兹曼常数。
2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。
3.学会用PN结测量温度的一般方法。
二．实验仪器：
SQ-J型PN结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。
三．实验原理：
样品室
K
图2.测量电路框图
五．实验内容：
1.测量玻尔兹曼常数k：
在一定温度的条件下，测量 的关系曲线，实验可在室温下进行。
2.测量PN结材料禁带宽度；
将“测量选择”开关K拨到If，调节If=50μA，将K拨到VF，记下起始温度TS时的VF(TS)值，再将K置于ΔV，调节使ΔV=0。
测定ΔV-T关系曲线：打开电源开关，逐步提高加热电流，测量ΔV所对应的T值，ΔV每变化10mV记录T的值。测量时应注意，升温速度不要太快，温度不宜过高120ºC。
2．PN结材料禁带宽度的测量：
由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结ห้องสมุดไป่ตู้料的导带底和价带顶间的电势差 有如下关系：
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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。
2
在计算机实测实验过程中。
将电压转换成温度显示是很简单的，只需作一个计算就可以了。
2.3、实验装置:
温度传感器
恒流源2 加热装置
PN结恒流源1
750数据接口
加热装置的铜质底座
(其上有两个小洞，计算机及数据处理软件Datasdudio
将PN结和温度传感
器探头分别放入。
图3 实验装置示意图
3选用仪器
仪器名称型号主要参数用途
CI7650 750接口阻抗1 MΩ。
最大的有效输入电压范围?10 V 数据采集处理数据采集平台、CI6874 计算机和DataStudio ——数据处理温度传感器 DH-PN-1 测温范围:-20~150 测温
CI6503 电压传感器电压范围:?10 V AC/DC 数据采集
JDGS061 提供PN结三极管
加热装置————加热
二、实验内容及具体步骤:
1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。
1.1打开DataStudio 软件，创建一个新实验。
1.2在DataStudio 软件的窗口中设置750接口的传感器连接，并设置采样率。
1.3在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。
IA,50,1.4给PN结通以的恒定电流; F
1.5给加热装置接通用800mA的电流加热(保持连接，但先不接通);
1.6 接通加热电流的同时在DataStudio 软件窗口中启动数据采集。
2、用PN 结测温的应用一例:测量加热装置(铜底座的自然冷却规律)
仅以此例说明PN结可作为测温元件。
3
1.1在上述实验完成后，在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。
IA,50,1.2给PN结通以的恒定电流; F
1.3用PN结作为测检测温度的探头，启动实验，测量铜底座的自然冷却规律。
1.4用电压传感器测量PN结的正向压降。
得到自然冷却过程中PN结的正向压降随时间的变化规律。
1.5在DataStudio中作一个计算，将PN结的正向压降转换成温度，也就是将电压传感器测量PN结的正向压降V作如下计算: F
三、数据记录及数据处理
1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。
图4:PN结正向压降随温度变化曲线
注:上图中通道A的电压就是PN结的正向结电压
2、测绘PN结正向结电压降对温度变化的灵敏度计算:
由图1数据可得PN正向结电压降对温度变化的灵敏度为
,VV -----(2) k,,,0.00215,t
上式的物理意义:在工作电流为50μA的条件下，温度每升高1?，PN正向结电压将降低2.15mV。
PN正向压降和温度的关系是:
Vt,,0.6940.00215 -----(3) F
3、禁带宽度的计算:
导带底和价带顶的电势差:
Vt(0)0.6940.00215,,，F
0.6940.00215(273.2)1.27V,,，,,
EgeVe,,(0)1.27V 禁带宽度 : F
4
硅管禁带宽度公认值为: Ege,,1.21V
,E0.06和公认值的相对差为: ,,,0.0505.0%E1.21
误差主要来源:所用的温度传感器在使用前需要校对，这需要打开仪器盖调线路板的电位器，由于时间和条件限制，没有做这个工作。
4、铜底座的自然冷却规律
实验1中用来加热PN结的铜底座,让它在室温24?时开始自然冷却,用电压传感器记录PN结的压降,同时用温度传感器记录温度, 得到图5和图6。
图5:用温度传感器测温得到的铜的自然冷却规律曲线图6:用PN结测温得到的铜的自然冷却规律曲线
说明:图6的温度是用电压传感器测出PN结的正向电压，然后根据实验内容一得到的关系式(3)即温度和PN正向结电压降的关系:
0.694,VF T,0.00215
在DataStudio中作如下计算:
然后得到的温度。
分析:图5和图6对比可以看出,PN节测出的结果和用温度传感器测出的结果基本是一致的,只是PN节测出的噪声大了些
5
四、实验结论
1、通过实验得出所用:在常温下(0~100?)的PN结(三极管JDGS061的be极)的正向压降随温度是线性下降，基本关系为:。
Vt,,0.6940.00215F 因为线性很好，在在常温下范围内可以用PN 结做温度器。
,V2、PN结(三极管JDGS061的be极)的正向压降对温度的灵敏度为:
K,,2.15mV,t
3、本实验测得的硅管的禁带宽度 : EgeVe,,(0)1.27VF
和公认值1.21eV有5%的误差。
4、在测铜的冷却规律的实验中PN节测出的结果和用温度传感器测出的结果基本是一致，说明了PN结作为温度传感器是可行的。
5、PN结的正向压降对温度的敏感性也会有害的一面，在电路中会造成温度漂移，在电路设计中应当加以考虑。
四、实验总结.
本实验测得的硅管的禁带宽度 :和公认值1.21eV有5%的误差,主要是由于时间Ege,1.27V
紧张，温度传感器没有校正起始点。
本实验中，将PN结的温度特性应用于利用计算机采集数据即计算机实测实验中，体现出方便、快捷、成本极低的优势。
说明PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等优点。
在温度控制以及微机进行温度实时讯号处理等方面有很强的相对优势。
本实验中发现PN结测温度时有噪声，实验在精度要求高时还应作降噪处理。
指导教师批阅意见:
成绩评定:
实验设计方案实验过程数据处理实验结论实验总结总分
(50分) (15分) (10分) (10分) (15分)
6。