PN结特性及玻尔兹曼常数测定实验

PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测定实验

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)，了解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】

ZC1606型PN 结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪（如下图），ZC1606型温度加热装置，S9013型三极管一只，温度控制连接线，短路线和电源线。

图1 ZC1606型PN 节特性研究与玻尔兹曼常数测定仪

【实验原理】

一、PN 结的正向特性

理想情况下，PN 结的正向电流随正向压降按指数规律变化。其正向电流I F 和正向压降V F 存在如下近关系式： exp(

kT

qV I I F

s F = （1） 其中q 为电子电荷（即e =1.602×10-19C ）；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；I S 为反向饱和电流，它是一个和PN 结材料的禁带宽度及温度有关的系数，可以证明： exp()

0(kT

qV 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（r 的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4）；V g(0)为绝对零度时PN 结材料的带底和价带顶的电势差，对应的qV g(0)即为禁带宽度。

将（2）式代入（1）式，两边取对数可得：

（3） 其中T I C q k

V V F

g )ln ()0(1-= r n T q

kT

V ln 1-

= 方程（3）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）中还包含非线性顶V n1。下面来分析一下V n1项所引起的非线性误差。

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 F g g F T T q kT T T V V V V )ln()

(1

11)0()0(---= （4） 按理想的线性温度响应，V F 应取如下形式

)(11

1T T T

V V V F F -??+

=理想 （5） T V 1

F ??等于T 1温度时的T

V F ??值

由（3）式求导，并变换可得到

r q

k

T V V T V F g F ---=??11)0(1 （6） 所以)(111)0(1T T r q k T V V V V F g F -???

?

??---

+=理想 =r T T q

k

T T V V V F g g )()

(111)0()0(---- （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:

△=V 理想 -V F =r T T

q kT r T T q k ln()(1

1+--

（8） 设T 1=300°K ，T=310°K ，取r=3.4,由（8）式可得Δ=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约为20 mV 以上，相比之下误差Δ很小。不过当温度变化范围增大时，V F 温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于r 因子所致。

综上所述，在恒流小电流的条件下，PN 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项V 1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这也就是PN 结测温的理论依据。 二、求PN 结温度传感器的灵敏度，估算禁带宽度

由前所述，我们可得到一个测量PN 结的结电压V F 与热力学温度T 关系的近似关系式： ST V T I C

q k V V V g F

g F +=-==)0()0(1ln

( （9） 1

1)0(ln ln (n r F

g F V V T q

kT T I C q

k V V +=--=

式中S (mV/℃)为PN 结温度传感器灵敏度，注意T 的单位是K 。 用实验的方法测出V F -T 变化关系曲线，其斜率ΔV F /ΔT 即为灵敏度S 。 在求得S 后，根据式（9）可知

ST V V F g -=)0( （10）

从而可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝)(o g qV 。硅材料的go E 约为1.21eV 。

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(S9013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2 PN 结扩散电流与结电压关系测量线路图

必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50℃-150℃）。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，V F —T 关系将产生新的非线性，这一现象说明V F —T 的特性还随PN 结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs ，Eg 为1.43eV ）的PN 结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb ）的PN 结，则低温端的线性范围宽。对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不

同，这是非线性项V n1引起的，由V n1对T 的二阶导数T dT

V d 12

2=可知，dT dV 1n 的变化与T 成反比，所以V F —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I F ，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：

1、利用对管的两个PN 结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN 结），分别在不同电流I F1、I F2下工作，由此获得两者之差（I F1-I F2）与温度成线性函数关系，即

V F1-V F2=

2

11F F I I n q kT

（11）

本实验所用的PN 结也是由三极管的C 、B 极短路后构成的。尽管还有一定的误差，但与单个PN 结相比其线性度与准确度均有所提高。

2、采用电流函数发生器来消除非线性误差，本实验没有使用该技术。由（3）式可知，非线性误差来自T r 项，利用函数发生器，I F 比例于绝对温度的r 次方，则V F —T 的线性理论误差为△=0。实验结果与理论值比较就会比较一致。 三、求波尔兹曼常数

由式（11）可知，在保持T 不变的情况下，只要分别在不同电流I F1、I F2下测得相应的V F1、V F2就可求得波尔兹曼常数k 。

（12） 为了提高测量的准确度，也可根据式（1）指数函数的曲线回归，求得k 值。方法是以公式)exp(F F BV A I =的正向电流I F 和正向压降V F 为变量，根据测得的数据，用Excel 进行指数函数的曲线回归，求得A 、B 值，再由kT q B =求出波尔兹曼常数k 。 四、估算反向饱和电流Is

由公式（1）可看出，反向饱和电流Is 是一个非常重要的参数。但是Is 值非常小，用普通方法难以直接测量。由公式（1）可知，在测量出正向电流I F 、正向电压V F ，以及PN 结的绝度温度T 时，就可以计算出Is 值。具体方法就是上述用Excel 进行指数函数的曲线回归，求得的A 值：A=Is 。

需要注意的是，不同的测量条件下，Is 是不同的。有兴趣的同学可以查阅资料，结合本实验，研究和判断Is 大小是恒定值吗？与温度有关吗?

【实验内容与步骤】

实验前，请参照前面仪器图1，插好温度控制线和PN 结温度传感器。

打开电源开关，温度控制器实验装置上将显示出室温，仪器通电预热5分钟后进行实验。 测量前先对4位半数字电压表调零。调零应在输入短路状态下进行，先将微电流源置于“开路”。按颜色接好PN 结的四个引脚，红、黑两端接到仪器面板的I F 输出端，绿、蓝两端接到PN 结测量电路的输入端，再用仪器配置的短路线，将PN 结的红、黑两线或绿、蓝两线短路，将隔离器的开关置于“通”档，调节“调零”电位器使数字电压表显示为零。调零完成后去掉短路线即可进行后续实验。

1、测量同一温度下（室温，45℃，60℃三组数据），正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；

为了获得较为准确的测量结果，我们先以室温为基准，测PN 结正向伏安特性实验的数据。注意实验过程中，不可使温度传感器和PN 结传感器受额外热源的影响。另外，如果因为前组实验完成后，未来得及完全降温，那也可以单独将PN 结取出降至室温，再记录室温也可进行本项实验。

首先将实验仪电流量程置于×1档，再调整电流调节旋钮，观察对应的V F 值应有变化的读数，将开关切换到×10、×100、×1000档，记录相应的正向电压值。改变电流值来记录电压值，注意电流的取值间隔要合适，避免电压值变化太小。每个量程建议取10个或10个以上数据点，填入表1。

表1 同一温度下正向电压与正向电流的关系 T= ℃

序号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I F /μA V F /V

)

(11

2F2F1F F V -V I I n

T

q k =

序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 I F /μA V F /V 序号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 I F /μA V F /V 序号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 I F /μA V F /V

电流量程换到其他量程，测量不同电流下的不同正向压降，记录数据。

2、在同一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，确定其灵敏度S ，估算被测PN 结材料的禁带宽度（选作）；

表2 同一I F 下，正向电压与温度的关系 I F = 50 μA 选择合适的正向电流I F ，在整个实验过程中保持不变。一般选10-50μA 的值，以减小自

身热效应。

实验可使用单个温度控制法或降温法测量。单个温度控制法需要一个个设定需要的测量温度，温度和正向电压的对应性较好，适合于升温测量，但其实验时间较长，可能导致来不及完成其他实验，或者导致后一组人员实验时来不及降温。这时也可使用降温法测量，节省测量时间。具体方法是先将PN 结加温到60℃，稳定一段时间后，关闭加热电流，依次记录温度下降时，不同的温度点对应的正向电压值，并且无需等待降到室温就可完成实验。由于温度下降的速度并不快，所以测量的结果也符合实验要求。

【数据处理】

1、计算玻尔兹曼常数。

对表1测得的数据，在×100、×1000档电流量程内，用两组不同的正向电流和电压数据，多次计算，用公式（12），对正向电流值先取e 的对数，再用直线拟合lnI F —V F 曲线（画图），作图法求斜率，然后计算波尔兹曼常数。

计算波尔兹曼常数)(BT q k = ，与标准值1.381×10-23

J/K 的相对误差

为： 。

2、求被测PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （mV/K)。

可以用表2的数据根据公式（9）手动计算灵敏度S 。以T 为横坐标，V F 为纵坐标，作V F —T 曲线（画图），其斜率就是S 。

序号

1 2

3 4 5 6 7 8 9 10 t /℃ T/K V F /V 序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 t /℃ T/K V F /V

mV/;

（1）斜率，即传感器灵敏度S＝A=__________K

（2）截距V g(0) =B=__________V（0K温度）；

3、估算被测PN结材料的禁带宽度（选作）。

1）由前已知，PN结正向压降随温度变化曲线的截距B就是V g(0)的值，将其换算成电子伏特的量纲：E g(0)=qV g(0)就是禁带宽度E g(0)。

2）将实验所得的E g(0)=qV g(0)= 电子伏（单位eV），与硅材料的公认值E g(0)=1.21电子伏比较，并求其误差。

注：需要指出的是，公式（9）本身也是一个近似公式，而且实验使用的PN结是由硅材料进行掺杂等工艺制作而成的，所以其实际禁带宽度并不严格等于本征硅半导体的1.21eV，并且禁带宽度与温度也有一定的关系。作为近似，为检验实验结果，我们仍将1.21eV 作为真值，计算测量误差。

【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U1和U2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U2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。

【思考题】

1.为什么实验中选用三极管？

2.实验中温度为什么不能超过100℃？

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

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

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。

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-=++

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

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。

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

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： 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。 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e b 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

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。带有螺母的插头待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。 2.转动“加热功率”开关，从“断”至“低”，此时测试仪上将显示出室温为R T ，

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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：