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PN结伏安特性

PN结伏安特性
PN结伏安特性

二、PN 结伏安特性------流过PN 结的电流与加在其两端电压之间的关系 1、 加电压后,PN 结内部的物理过程(内特性) (1) 加正向电压(或加正偏压,或正偏) 电源的正极接P区, 负极接N区。

(a )此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相反,空间电荷区两端电压从V B →V B -V ,变小,这样就打破了原有的动态平衡状态, 扩散>漂移,有电流从P →N ,即多子的扩散电流(包括电子扩散电流和空穴扩散电流)形成正向电流。 (b )使空间电荷区变窄

加正向电压使P 区中的多数载流子空穴和N 区中的多数载流子电子都要向空间电荷区运动。 当P 区的空穴和N 区的电子进入空间电荷区后, 就要分别中和一部分负离子和正离子, 使空间电荷量减少, 空间电荷区宽度变窄 (c )中性区少子分布曲线 从N →P 的自由电子扩散电流A ∝点的少子分布梯度po n ∝

从P →N 的空穴扩散电流B ∝点的少子分布梯度

no p ∝

当是P N +

时,po no n p <<, ∴正向电流主要是空穴扩散电流

当是N P +

时,po no n p >>, ∴正向电流主要是电子扩散电流

(2) 加反向电压(或加反偏压,或反偏)

a) 此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相同, 空间电荷区两端电压从

V B →V B +V ,变大,这样也打破了原有的动态平衡状态,漂移>扩散,少子的漂移电流(包

括电子漂移电流和空穴漂移电流)形成反向电流S I ,从N →P 。 b) 使空间电荷区变厚 c) 中性区少子分布曲线

由N 到P 的空穴漂移电流大小决定于()n p x 在B 点的梯度,由P 到N 的电子漂移电流大小决定于()p n x 在A 点的梯度

d) 反向电流S I 的特点 (i ) 少子浓度很低,∴S I 很小,μA 数量级

(ii ) 加大反向电压时,S I 基本不变∴S I 叫反向饱和电流 (iii )

掺杂越浓,,no po p n 越小,∴S I 越小

P N V -P N

V --X X P

N

-X X P

N

(iv )

温度T ↑时,,no po p n ↑↑S I ∴↑

2、 PN 结伏安特性(外特性)

不管内部物理过程,只管外加电压和电流之间的关系 注意:图上标的都是规定的电流的正方向和电压的极性 由PN 结理论可以证明,正反向特性可以统一表示为:

(1)T

V V S I I e =-,

其中:S I 为反向饱和电流;26T KT

V mV q

=≈,为热电压 (1) 正向(正偏)

T V V >>或100V mV >时,1T

V V Ve

>>

T

V V S I I e ∴=,或ln

T S

I V V I = 特点:

(a ) 有导通电压()D on V ,当()D on V V <时,0I ≈

(b ) 当()D on V V >时,V 的变化引起I 的急剧变化,V 每增大60mV ,I 增大10倍。

或PN 结正向导通时不管流过的电流多大,其两端电压基本不变,约为()D on V 。

Si :;()0.6~0.7D on V V ≈ Ge :()0.2~0.3D on V V ≈ (2) 反向(反偏) V < 0

当T V V >>时,S I I =- 很小,几乎为零。

所以PN 结的伏安特性最主要特点就是单向导电性 3、 温度特性

(1) 正向,由T

V V S I I e

= 得:

当温度2T V

V T i S KT V e T I q

n I =↑→↓

↑→→↑↑↑→↑↑

曲线上移,也就是左移 如要保持I 不变,T 升高1o ,正向电压应降低2.5mV 。

(2) 反向,S T I ↑→↑↑,S I I =-,曲线下移。T 升高10 o ,S I 增大1倍

2110

21()()2

T T S S I T I T -=?

P

N

V

-

I

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】

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

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

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,

实验报告半导体PN结的物理特性及弱电流测量

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 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(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。

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。·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。(U2何时出现饱合?为什么会出现饱合?) ·由粗测结果确定仔细测量的范围(U2大致的变化范围是多少?);约测12-16组数据。·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合,由求得的回归系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。(如何保持PN结的正向电流不变?) ·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。 ·温差不小于30℃,不少于7组数据。 ·以此推算正向电压与温度的关系,并计算0K时PN结材料(硅)的禁带宽度。 实验数据记录 1、粗测: 粗测时分为三个阶段,第一阶段是V2<0,此时V1<274.66mV,当V2=0时,V1=274.66mV 接下来是第二阶段,V2>0,V1和V2都发生变化,但V2变化幅度逐渐变小,直至几乎不变,当V2=13.503V时,不论V1如何变化,V2都几乎不再发生变化,刚到达此值时,V1=0.4745V 再后来是第三阶段,V1继续变化,但V2几乎不变。 则所取细测范围为274.66mV~0.4745V之间。 细测:(小数点后5位的原测量时单位为mV) 组数V1/V V2/V T/°C 1 0.27320 0.00004 23.7 2 0.28617 0.00420 23.8 3 0.29920 0.01117 23.8 4 0.31217 0.0224 5 23.8 5 0.3252 0.04145 23.8 6 0.3382 0.07314 23.8 7 0.3512 0.12625 23.9 8 0.3642 0.21435 23.9 9 0.3772 0.3617 23.9 10 0.3902 0.6053 23.9 11 0.4032 1.0102 23.9 12 0.4162 1.6975 24.0 13 0.4292 2.8294 24.0 14 0.4422 4.7240 24.1 15 0.4552 7.8870 24.1 16 0.4682 13.108 24.1

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。 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

PN结伏安特性

二、PN 结伏安特性------流过PN 结的电流与加在其两端电压之间的关系 1、 加电压后,PN 结内部的物理过程(内特性) (1) 加正向电压(或加正偏压,或正偏) 电源的正极接P区, 负极接N区。 (a )此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相反,空间电荷区两端电压从V B →V B -V ,变小,这样就打破了原有的动态平衡状态, 扩散>漂移,有电流从P →N ,即多子的扩散电流(包括电子扩散电流和空穴扩散电流)形成正向电流。 (b )使空间电荷区变窄 加正向电压使P 区中的多数载流子空穴和N 区中的多数载流子电子都要向空间电荷区运动。 当P 区的空穴和N 区的电子进入空间电荷区后, 就要分别中和一部分负离子和正离子, 使空间电荷量减少, 空间电荷区宽度变窄 (c )中性区少子分布曲线 从N →P 的自由电子扩散电流A ∝点的少子分布梯度po n ∝ 从P →N 的空穴扩散电流B ∝点的少子分布梯度 no p ∝ 当是P N + 时,po no n p <<, ∴正向电流主要是空穴扩散电流 当是N P + 时,po no n p >>, ∴正向电流主要是电子扩散电流 (2) 加反向电压(或加反偏压,或反偏) a) 此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相同, 空间电荷区两端电压从 V B →V B +V ,变大,这样也打破了原有的动态平衡状态,漂移>扩散,少子的漂移电流(包 括电子漂移电流和空穴漂移电流)形成反向电流S I ,从N →P 。 b) 使空间电荷区变厚 c) 中性区少子分布曲线 由N 到P 的空穴漂移电流大小决定于()n p x 在B 点的梯度,由P 到N 的电子漂移电流大小决定于()p n x 在A 点的梯度 d) 反向电流S I 的特点 (i ) 少子浓度很低,∴S I 很小,μA 数量级 (ii ) 加大反向电压时,S I 基本不变∴S I 叫反向饱和电流 (iii ) 掺杂越浓,,no po p n 越小,∴S I 越小 P N V -P N V --X X P N -X X P N

【免费下载】PN结伏安特性实验报告模版

深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称: 大学物理实验(1) 实验名称: PN 结的伏安特性测量 学院: 信息工程学院 专业: 班级: 组号: 指导教师: 报告人: 学号: 实验地点: 实验时间: 实验报告提交时间: 教务处制得分教师签名批改日期 高中语用金属套启动,作为布置卷突术是

一、实验目的: 二、实验原理:、管路敷设技术通过管线敷设技术,不仅可以解决吊顶层配置不规范问题,而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中,要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等,要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式,为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题,合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则:在分线盒处,当不同电压回路交叉时,应采用金属隔板进行隔开处理;同一线槽内,强电回路须同时切断习题电源,线缆敷设完毕,要进行检查和检测处理。、电气课件中调试对全部高中资料试卷电气设备,在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验;通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系,根据生产工艺高中资料试卷要求,对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验;对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作;对于继电保护进行整核对定值,审核与校对图纸,编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案,编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案;对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题,作为调试人员,需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料,并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况,然后根据规范与规程规定,制定设备调试高中资料试卷方案。、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术,电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时,需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全,并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围,或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理,尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作,并且拒绝动作,来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此,电力高中资料试卷保护装置调试技术,要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时,需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。

PN结及其特性详细介绍

PN结及其特性详细介绍 1. PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉,使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区(耗尽层)。由于P区一侧带负电,N区一侧带正电,所以出现了方向由N区指向P区的内电场 PN结的形成 当扩散和漂移运动达到平衡后,空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时,有多少个多子扩散到对方,就有多少个少子从对方飘移过来,二者产生的电流大小相等,方向相反。因此,在相对平 衡时,流过PN结的电流为0。 对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在,PN结的电阻很大。

PN结的形成过程中的两种运动:多数载流子扩散少数载 流子飘移 PN结的形成过程(动画) 2. PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大;反之是高阻性,电流小。 如果外加电压使PN结中: P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏; P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图所示。外加的 正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电 场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂 移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。 P N结加正向电压时的导电情况 (2) PN结加反向电压时的导电情况

pn结正向特性的研究实验报告

pn 结正向特性的研究实验报告 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( 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) 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。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 ??? ? ??---=111 1)0()0( (4) 按理想的线性温度影响,VF 应取如下形式:

Pn结与二极管的实验报告

实验报告 一、实验题目:Pn 结与二极管 二、实验目的: 1、对半导体二极管的伏安特性有一些感性认识,测绘二极管伏安特性曲线; 2、了解Pn 结测温原理,测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。 三、实验原理: 1、晶体二极管的导电特性 晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压,当电压小于一定数值时只能通过很小的电流,只有电压大于一定数值时,才有较大的电流出现,相应的电压可以称为导通电压。正向导通电压小(锗管约0.3V ,硅管约0.5V ),反向导通电压(又称“击穿电压”,“耐压”)相差很大(几伏到几百伏)。当外加电压大于导通电压时,电流按指数规律迅速增大,此时,欧姆定律对二极管不成立。在这次实验中,就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。测量电路如下: 2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。 Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说,具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。Pn 结温度传感器的原理如下: Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数: (0)(ln )ln g F r F k B k V V T T e I e =-- 其中,e 是电子电荷,k 是波尔兹曼常数,B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常 数,r 是常数( 3.4r ≈),T 是绝对温度,V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。 上式中有两项,线性项:(0)(ln )g F L k B V V T e I =- 图2二极管反向伏安特性测量线路 图1二极管正向伏安特性测量线路 (a) mA 表外接 (a) mA 表内接 (a) mA 表外接 (a) mA 表内接

PN结特性和玻尔兹曼常数测定

PN 结特性和玻尔兹曼常数测定 1、实验目的 1.在同一温度下,正向电压随正向电流的变化关系,绘制伏安特性曲线; 2.在不同温度下,测量玻尔兹曼常数; 3.恒定正向电流条件下,测绘PN 结正向压降随温度的变化曲线,计算灵敏度,估算被测PN 结材料的禁带宽度 2、实验仪器 1.FB302A 型PN 结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪 2.温度传感器PT100 3.PN-Ⅱ型PN 结综合实验仪 3、实验原理 3.1.PN 结伏安特性与玻尔兹曼常数测定 由半导体物理学可知,PN 结的正向电流-电压关系满足: 01be eU kT I I e ??=- ??? (1) 式(1)中I 是通过PN 结的正向电流,0I 是不随电压变化的常数,T 是热力学温度,e 是电子的电量,U 为PN 结正向电压降。由于在常温()300T K ≈时,/0.026kT e V ≈,而PN 结正向电压下降约为十分之几伏,则1be eU kT e ?,于是有: 0be eU kT I I e = (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 。在测得温度后,就可以得到常数,把电子电量作为已知值代入,就可以求得玻尔兹曼常数,测得的玻尔兹曼精确值为 2311.38110k J K --=??。 为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法, 而是采用11nA mA :范围的可变精密微电流源,能避免测量微电流不稳定,又能准确地测量正向压降。 3.2.弱电流测量 以前常用光点反射式检流计测量6111010A A --:量级PN 扩散电流,但该仪器有 许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号,温漂大、读数困难等。为了更精确地测量玻尔兹曼常数,而设计了一个能恒流输出11nA mA :范围的精密微电流源。解决了在测量中很多不稳定因素,能准确地测量正向压降。 3.3.PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量 PN 结通过恒定小电流(通常电流1000I A μ=),由半导体物理可知be U 和T 近 似关系: be go U ST U =+ (3) 式(3)中 2.3o S mV C ≈-为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度OK 时半导体材料的近似禁带宽度go go E qU =。硅材料的go E 约为1.20eV 。 4、实验内容与主要步骤 1.实验系统检查与连接: (1)NPN 三极管的bc 极短路,be 极构成一个PN 结,并用长导线连接测量仪,可方便插入加热器。 (2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置,在连接插头时,应先对准插头与插座的凹凸定位标记,即可插入。带有螺母的插

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