pn结的伏安特性与温度特性测量(精)

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T关系，求得该传感器的灵敏度，并

be

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I-V变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。

4、测量PN结结电压

U与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。

be

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-电压关系满足：

[]

1/0-=KT eU e I I (1)

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 ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

KT eU e I I /0= (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 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]耗尽层复合电流，它正比于KT eU e 2/；

[3]表面电流，它是由Si 和SiO 2界面中杂质引起的，其值正比于mKT eU e /,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。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。实验线路如图1所示。

图1PN结扩散电源与结电压关系测量线路图

2、弱电流测量

过去实验中10-6A-10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约10-9A/分度，但有许多不足之处。如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。

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2所示。其中虚线框内电阻Z r为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图2可，运算放大器的输入电压U0为：

(3)

U0=-K0U i

式(3)中U i为输入电压，K0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，R f 称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗r i →∞,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有：

f i f i S R K U R U U I /)1(/)(00+=-= (4)

由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Z r 为：

00/)1/(/K R K R I U Z f f S i r ≈+== (5)

由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流I s 输出电压U 0之间得关系式，即：

f

f f s R U R K U R K K U I 000000/)11(/)1(≈+=+-

= (6) 由(6)式只要测得输出电压U 0和已知R f 值，即可求得I S 值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Z r 和I S 值得大小。对LF356运放的开环增益K 0=2×105，输入阻抗r i ≈1012Ω。若取R f 为1.00MΩ，则由(5)式可得：

Ω=?+Ω?=5)1021/(1000.156r Z

若选用四位半量程200mV 数字电压表，它最后一位变化为0.01mV ，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：

A mV Is 1161011000.1/01.0min )(-?=Ω?=

由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。

3、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。

当PN 结通过恒定小电流（通常电流I ＝1000μA ），由半导体理论可得be U 与T 近似关系：

go be U ST U += （5）

式中S≈－2.3C mV o /为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1.20eV 。 【实验内容与步骤】

（一）be c U I -关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。

（1U U be =）

1、实验线路如图1所示（说明：图中100Ω的滑动变阻器和1.5V 电源已经接入电路，只是1.5V 稳压电源正输出没有接地，实验中只需将1.5V 正输出接地即可）。图中U 1为三位半数字电压表，U 2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 结与周围环境温度一致，把功率三极管连同散热器浸没在变压器油管中，油管下端插在保温杯中，保温杯内盛有室温水，变压器油温度用O-50℃(0.1℃)的水银温度计测量。（为简单起见，本实验也可把功率三极管置于干井恒温器温度中，打开仪器的加热开关，按温度复位按钮，让仪器探测出环境温度，然后调节恒温控制到与室温相同即可。）

2、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U 1和相应电压U 2。在常温下U 1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U 2值达到饱和时(U 2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θ，取温度平均值θ。

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U 1和U 2

的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。

4、把(2)式改为KT eU e RI U /02=，运用最小二乘法，将不同温度下采集的1U ～

2U 关系数据代入指数回归函数bU ae U =2关系式中，算出指数函数相应的a 和b 的最佳值0a 和0b ，则由e ／KT=0b 、00a RI =两式分别计算出玻尔兹曼常数K 值和弱电流0I 值，并说明玻尔兹曼分布的物理的含义。已知玻尔兹曼常数公认值

23010381.1-?=K J/K ， 由此进而计算出玻尔兹曼常数测量的结果的百分误差。

5、曲线拟合求经验公式（此项内容为选做内容）：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差δ。对已测得的U 1和U 2各对数据，以U 1为自变量，U 2作因变量，分别代入：

(1)线性函数U 2=aU 1+b ；(2)乘幂函数U 2=aU 1b ；（3）指数函数U 2=ae bU 1。求出各函数相应的a 和b 值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必

须用标准差来检验。办法是：把实验测得的各个自变量U 1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U 2*,并由此求出各函数拟合的标准差：

∑=-=

n

i i

n U U

1

2*/)(δ

式中n 为测量数据个数，U i 为实验测得的因变量，U i *为将自变量代入基本函数的因变量预期值，最后比较哪一种基本函数为标准差最小，说明该函数拟合得最好。

（二）T U be -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go E 值（此项内容为选做内容）。

图3 图4

1、实验线路如图3所示，测温电路如图4所示。其中数字电压表V 2通过双刀双向开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN 结电流，保持电流I ＝100μA 用。

2、通过调节图3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T R 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be U 值（即V 1）与温度θ（℃）关系，求得T U be -关系。（至少测6点以上数据）

3、用最小二乘法对T U be -关系进行直线拟合，求出PN 结测温灵敏度S 及近似求得温度为0K 时硅材料禁带宽度go E 。

【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(2)。

2、必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录U 1和U 2数据。

3、用本装置做实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。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，有可能同台仪器达到饱和电压U 2值不相同。

5、本仪器电源具有短路自动保护，运算放大器若 15V 接反或地线漏接，本仪器也有保护装置，一般情况集成电路不易损坏。请勿将二极管保护装置拆除。 【数据记录及处理】

1、be c U I -关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。 室温条件下：初温1θ = ℃，末温2θ = ℃，-

θ= ℃

表1(U 1的起、终点要以具体的实验情况判断)

以U 1为自变量，U 2为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合，结果填入表2中：

表2

由表2数据处理后进行判断，线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合哪一种数据拟合最好，并由此说明PN结扩散电流-电压关系遵循的分布规律。

计算玻尔兹曼常数：

由表2数据得

k/e=bT = J/

CK

则

k/e e

k = K/J

此结果与公认值k=1.381×10-23

K

/J 进行比较。

2、电流I ＝100uA 时，T U be -关系测定，求PN 结温度传感器的灵敏度S ，计算0K 时硅材料的近似禁带宽度go E 。

表3 T U be -关系测定

用计算器对T U be -数据进行直线拟合得：

1）斜率，即传感器灵敏度S ＝ K mV /; 2）截距go U = V （0K 温度）； 3）相关系数r ＝

4）禁带宽度eU E go == eV 。将此结果与硅在0K 温度时禁带宽度公认值go E ＝1.205 eV 相比较，看本实验测得的go U 是否合理，并分析原因。 【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？

2、本实验把三极管接成共基极电路，测量结扩散电流与电压之间的关系，求玻尔兹曼常数，主要是为了消除哪些误差？

PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量

P N结物理特性及玻尔兹 曼常数测量 Prepared on 21 November 2021

PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测量 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be U 与热力学温度T 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—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。 4、测量PN 结结电压be U 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（选作）。 6、学会用最小二乘法拟合数据。 【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。 FD-PN-4 型PN 节物理特性测定仪 【实验原理】 1. 测量三极管发射极与基极电压U 1和集电极与基极电压U 2之间的关系 (a)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： [] 1/0-=KT eU e I I (1) 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 ≈ ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： KT eU e I I /0= (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 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]耗尽层复合电流，它正比于KT eU e 2/； [3]表面电流，它是由Si 和SiO 2界面中杂质引起的，其值正比于mKT eU e /,一般m >2。

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：了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。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。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 存在近似关系： )exp( kT qV Is I F F = 其中q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，I S 为反向饱和电流： ]) 0(ex p[kT qV CT Is g r -= 由上面可以得到： 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ? ?-=11)0( 在上面PN 结正向压降的函数中，令I F =常数，那么V F 就是T 的函数。 考虑V n1引起的线性误差，当温度从T 1变为T ，电压由V F1变为V F ： [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( )(111T T T V V V F F F -??+=理想 ()[] ()r T T q k T 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 两个表达式相比较，有： ()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+-- =-=?理想 综上可以研究PN 结正向压降温度特性。 实验内容：1、求被测PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （mv/℃）。作?V —T 曲线（使用Origin 软件工 具），其斜率就是S 。 2、估算被测PN 结材料硅的禁带宽度E g (0)=qV g (0)电子伏。根据（6）式，略去非线性，可得

PN结正向压降温度特性的研究实验

一、实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究 二、实验目的：了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。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。学习用PN 结测温的方法。 三、实验背景： 早在六十年代初，人们就试图用PN 结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件，由于当时PN 结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高以及人们不断地探索，到七十年代时，PN 结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身各个应用领域了。 众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小、缺点是非线性，这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；而PN 结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能相比的，其应用势必日益广泛。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。美国Motorola 电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mv/C 、分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度感器也已问世。但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值0.5%的条件下，其工作温度一般为-50℃—150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓PN 结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中期我国就研制成功以Sic 为材料的PN 结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。自然界有丰富的材料资源，而人类具有无穷的智慧，理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。 四、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(kT qV Is I F F = （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[kT qV 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

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 【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 结电压与温度的关系，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： []1)/exp(0-=kT eU I I (1) 式中I 是通过PN 结的正向电流，0I 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，e kT /≈0.026v ，而PN 结正向压降 约为十分之几伏，则)/exp( kT eU >>1，(1)式括号内－1项完全可以忽略，于是有： )/exp(0kT eU I I = (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 kT e /。在测得温度T 后，就可以得到k e /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)2/exp(kT eU ；3)表面电流，它是由硅和二氧 化硅界面中杂质引起的，其值正比于)/exp( mkT eU ，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。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全

PN结的伏安特性与温度特性测量

PN结正向压降与温度特性的研究 【实验目的】 1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。 2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。 【实验仪器】 1、 pn结物理特性实验仪。 2、保温杯。 3、开水、冰块等。 【实验原理】 1、理想的pn结正向电流IF 与压降VF 存在如下近似关系 式中,q 为电子电量,K=1、38×10－23J?K-1为玻尔兹曼常数,T 为热 力学温度,Im 为反向饱与电流,它的大小 其中C 就是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数;γ就是热学中的比热比,也就是一个常数;Vg(0)就是热力学温度T=0 时,PN 结材料的能带结构中,它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中,把有电子存在的能量区域称作价带,空着的能量区域叫导带,而电子不能存在的能量区域叫禁带。 将式(2)带入式(1),两边取对数可得 (3) 其中,。式(3)就是PN 结温度传感器的基本方程。当正向电流IF为常数时,V1 就是线性项,Vn1 就是非线性项,这时正向压降只随温度的变化而变化,但其中的非线性项Vn1引起的非线性误差很小(在室温下,γ=1、4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0、048mV)。因此,在恒流供电情况下,PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V1,即在恒流供电情况下,正向压降VF 随温度T

的升高而线性地下降,这就就是PN 结测温的依据。我们正就是利用这种线性关系来进行实验测量。 必须指出,上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间,对最常用的硅二极管,温度范围约为-50℃—50℃,若温度超出此范围,由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加,VF —T 的关系将产生新的非线性。更为重要的就是,对于给定的PN 结,即使在杂质导电与非本征激发的范围内,其线性度也会随温度的高低有所不同,非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度,使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段,这就是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以瞧出,对给定的PN 结,正向电流IF 越小非线性项越小,这说明减小IF ,可以改善线性度。 2、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。 实验线路 测温电路 通过调节实验电路中电源电压,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T R 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be U 值(即V 1)与温度θ(℃)关系,求得T U be -关系。 当PN 结通过恒定小电流(通常电流I ＝1000μA),由半导体理论可得be U 与T 近似关系: go be U ST U += (3) 式中S ≈－2、3C mV o /为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1、20eV 。 【实验内容与步骤】

实验十PN结物理特性测定

一、概述 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。本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。本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电 U与热力学温度T的关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得阻测温电桥，测量PN结结电压 be 0K时硅材料的禁带宽度。 二、仪器简介 图1 PN结物理特性测定仪实验装置

FD-PN-4型PN 结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成，如图1所示。 三、技术指标 1．直流电源:±15V 直流电源一组， 1.5V 直流电源一组 2．数字电压表:三位半数字电压表量程0—2V ,四位半数字电压表量程 0—20V 3．实验板: 由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。TIP31型三极管外接。 4．恒温装置:干井式铜质可调节恒温,恒温控制器控温范围，室温至80℃；控温分辨率0.1℃； 5．测温装置:铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃（Ω=00.1000R ）。 四、实验项目 1．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．较精确地测量玻尔兹曼常数。(误差一般小于2%) 3．测量PN 结结电压be U 与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 4．近似求得0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度。 5．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。 五、注意事项 1．实验时接±12V 或±15V ，但不可接大于15V 电源。±15V 电源只供运算放大器使用，请勿作其它用途。 2．运算放大器7脚和4脚分别接+15V 和-15V ，不能反接，地线必须与电源0V (地)相接(接触要良好)。否则有可能损坏运算放大器，并引起电源短路。一旦发现电源短路(电压明显下降),请立即切断电源。 3．要换运算放大器必须在切断电源条件下进行，并注意管脚不要插错。元件标志点必须对准插座标志槽口。 4．必须经教师检查线路接线正确，学生才能开启电源，实验结束应先关电源，才能拆除接线。

大学物理实验PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究讲义

PN 结正向压降温度特性 及正向伏安特性的研究 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，了解用PN 结测温的方法。 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．了解二极管的正向伏安特性，测量波尔兹曼常数。 二、实验原理 （一）PN 结正向压降与温度的关系 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(kT qV Is I F F = （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[kT qV 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 I c In q k V V +=-??? ? ??-= （3） 其中 () r n F g InT q KT V T I c 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 []r n 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，V F 应取如下形式： )(111T T T V V V F F F -??+=理想 （5） T V F ??1等于T 1温度时的T V F ??值。 由（3）式可得 r q k T V V T V F g F ---=??111)0( （6） 所以

PN结物理特性测定2015

半导体PN 结的物理特性实验 实验目的 1．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．测量玻尔兹曼常数。 3．测量PN 结电压与温度的关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度。 4．计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度。 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： []1)/exp(0-=kT eU I I (1) 式中I 是通过PN 结的正向电流，0I 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，e kT /≈0.026v ，而PN 结正向压降 约为十分之几伏，则)/exp( kT eU >>1，(1)式括号内－1项完全可以忽略，于是有： )/exp(0kT eU I I = (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 kT e /。在测得温度T 后，就可以得到k e /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)2/exp(kT eU ；3)表面电流，它是由硅和二氧 化硅界面中杂质引起的，其值正比于)/exp( mkT eU ，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。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。实验线路如图1所示。 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 2.PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。 当PN 结通过恒定小电流（通常电流A I μ1000=），由半导体理论可得be U 与T 近似关系： go be U ST U += （5） 式中S ≈－2.3C mV o /为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1.20eV 。 实验仪器 1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括±15V 直流电源、0－1.5V 及3.0V 直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪）。 2. TIP31型三极管（带三根引线）1个,3DG 三极管1个。

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 f U 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 00 1i 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

PN结正向压降温度特性

使用说明 QS-J 型PN 结正向压降温度特性实验组合仪是了解集成电路温度传感器工作原理的关键物理实验，也是集电学和热学为一体的一个综合实验仪器，适用与大专院校普通物理实验和有关专业的基础实验。 仪器设计合理、性能优异、读数直观、安全可靠，全套设备由测试仪和样品室两个部分组成。 一．主要技术指标 1．样管工作电流：0-1000μA，连续可调，分辨率为1μA，负载稳定度优于310 。 2．温度传感器的测量误差不大于0.5℃。 3．电流、电压和温度的测量分别采用两组31/2为LED 显示，精度不低于0.5%。 4．加热电流：0.1-1A ，分十档，逐档递增或减0.1A ，最大输出负载电压15V 。 二．使用说明 1．按实物照片组装样品架。 2．将两端带插头的四芯屏蔽电缆一端插入测试仪的“信号输入”插座，另一端插入样品室顶部插座。连接时，应先将插头的凹凸定位部位对准，再按插头的紧线夹部位，边可插入；在拆除时，只要拉插头的可动外套部位即可，切勿扭转或硬拉，以免断线。打开电源开关（在机箱背后），两组显示器即有指示，如发现数字乱跳或溢出（即首位显示“1”，后三位不显示），应查信号耦合电缆插头是否插好或电缆芯线有否拆断或脱焊和查待测PN 结和测温元件管脚是否与容器短路或引线脱落。 3．将“测量选择”开关（以下简称K ）拨到I F 转动“I F 调节”旋扭，I F 值可变，将K 拨到V F ，调I F ，V F 亦变，再将K 拨到△V ，转动“△V 调零”旋扭，可使△V =0，说明仪器以上功能正常。 4．将两端带“手枪式”插头导线分别插入测试仪的加热电源输出孔和样品室的对应输入孔，开启控温电流开关（置0.2A 档）加热指示灯即亮，1-2分钟后，即可显示出温度上升。至此，仪器运行正常。 5．仪器的温标设定，在出长厂之前已在0℃（冰、水混合）条件进行严格校准，如有偏差可根据室温（分辨率为0.1℃温标）实现复校。

PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量.

PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测量 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be U 与热力学温度T 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—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。 4、测量PN 结结电压be U 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（选作）。 6、学会用最小二乘法拟合数据。 【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。 FD-PN-4 型PN 节物理特性测定仪 【实验原理】 1. 测量三极管发射极与基极电压U 1和集电极与基极电压U 2之间的关系 (a)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： [] 1/0-=KT eU e I I (1) 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 ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可 以忽略，于是有： KT eU e I I /0= (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)

PN结的伏安特性与温度特性测量

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be U 与热力学温度T 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—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。 4、测量PN 结结电压 be U 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-电压关系满足： [] 1/0-=KT eU e I I (1) 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 ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可

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-=++

pn结正向压降温度特性研究

实验 pn 结正向压降温度特性研究 【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、在恒定正向电流下,测绘pn 结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度. 3、学习用pn 结测温的方法. 【实验仪器】 1、DH-PN-1型pn 结正向压降温度特性实验仪 【实验原理】 1、pn 结 在一块完整的硅或锗上用不同的工艺掺入杂质,使得其一半成为P 型半导体,而另一半成为N 型半导体,那么,在这两种半导体的交界处就会形成pn 结. 在P 型与N 型半导体结合后,由于P 型半导体具有较高浓度的空穴,而N 型半导体具有较高浓度的自由电子,在他们交界处的两边就出现了电子与空穴的浓度差别.从而,电子与空穴都要朝着较低浓度的方向扩散.这种扩散作用,使得在P 、N 交界处之间形成了具有一定大小的扩散电流. 另一方面,由于P 型半导体中空穴的流失,使得P 型半导体中留下了一定量带负电的离子;而N 型半导体中由于电子的流失,使得其中留下了一定量的正离子.由于正 负电荷之间的相互作用,使得在交界薄膜中形成了从N 型半 导体指向P 型半导体的空间电场.而空间电场的形成使得一 部分的空穴与电子沿与扩散相反的方向运动,形成漂移电 流. 空穴与自由电子的扩散使得空间电场增强,而空间电场的 增强却又抑制空穴与电子的扩散,从而,在一段时间之后,扩 散电流将与漂移电流达到动态平衡.而在P 型与N 型半导体 的两侧则会留下不能自由移动的离子薄层,而这个离子薄层 在P 、N 半导体交界面附近所构成的过渡区（空间电荷区）, 图1 PN 结 即称为pn 结. 2、pn 结的正向压降温度特性 根据pn 结理论, pn 结的伏安特性可表达如下: 01F qU kT F I I e ??=- ??? （1-1） 式中F I 为通过pn 结的正向电流, F U 为其正向电压, 0I 为反向饱和电流; q 为电子的电荷量, T 为绝对温度231.3810/k J K -=?是玻尔兹曼常量当正向电压0.1F U V >时, 3.9501F qU kT e e ≈≈?,故上式可近似为

PN结伏安特性

深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 大学物理实验（三） 实验名称： PN 结伏安特性曲线的测量 学院： 物理科学与技术学院 组号： 18 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 科技楼B108 实验时间： 2015.3.24 实验报告提交时间： 2015.3.31

一、实验设计方案 1.1、实验目的 熟悉DataStudio 软件、750数据接口的使用。 测绘PN 结正向伏安特性曲线，并用DataStudio 软件拟合曲线。 1.2、实验原理 PN 结的导电特性 加在PN 结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。 正向特性：u>0的部分称为正向特性。 反向特性：u<0的部分称为反向特性。 PN 结的伏安特性（外特性）如图1所示，它直观形象地表示了PN 结的单向导电性。 PN 结的伏安特性曲线 伏安特性的表达式 式中 i D ——通过PN 结的电流 v D ——PN 结两端的外加电压 V T ——温度的电压当量，V T = kT/q = T/11600 = 0.026V ，其中k 为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K ），T 为热力学温度，即绝对温度（300K ），q 为电子电荷（1.6×10–19C ）。在常温下，V T ≈26mV 。 e ——自然对数的底 I s ——反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为10-8~10-14A 的范围内。集成电路中二极管PN 结，其I s 值则更小。 当v D >>0，且v D ＞VT 时， ； 当v D ＜0，且 时，i D ≈–I S ≈0 。 由此可看出PN 结的单向导电性。 图1 PN 结的伏安特性曲线

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)/[exp(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 f U 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 00 1i 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

PN结的伏安特性与温度特性测量上课讲义

P N结的伏安特性与温度特性测量

PN结正向压降与温度特性的研究 【实验目的】 1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。 2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。 【实验仪器】 1. pn结物理特性实验仪。 2. 保温杯。 3. 开水、冰块等。 【实验原理】 1.理想的pn结正向电流IF 和压降VF 存在如下近似关系 式中，q 为电子电量，K=1.38×10－23J?K-1为玻尔兹曼常数，T 为热 力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小 其中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；Vg(0)是热力学温度T=0 时，PN 结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。 将式(2)带入式(1)，两边取对数可得 （3）

其中，。式(3)是PN 结温度传感器的基本方程。当正向电流IF为常数时，V1 是线性项，Vn1 是非线性项，这时正向压降只随温度的变化而变化，但其中的非线性项Vn1引起的非线性误差很小(在室温下，γ=1.4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV)。因此，在恒流供电情况下，PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V1，即在恒流供电情况下，正向压降VF 随温度T 的升高而线性地下降，这就是PN 结测温的依据。我们正是利用这种线性关系来进行实验测量。 必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50℃—50℃，若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF —T 的关系将产生新的非线性。更为重要的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的高低有所不同，非线性项Vn1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度，使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段，这是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以看出，对给定的PN 结，正向电流IF 越小非线性项越小，这说明减小IF ，可以改善线性度。 2、PN结的结电压 be U与热力学温度T关系测量。 V 1 V 2 3V R1 R2 R T R4 V 2 R 实验线路测温电路 通过调节实验电路中电源电压，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 T R的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，

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

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）。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。