大学物理实验：PN结
pn结正向特性实验报告
pn结正向特性实验报告PN结正向特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，具有广泛的应用。
本实验旨在通过实验验证PN结的正向特性，并探讨其相关理论。
一、实验目的：1. 验证PN结的正向电流-电压特性。
2. 探究PN结正向特性与温度的关系。
二、实验原理：PN结是由P型半导体和N型半导体材料组成的结构，其中P型半导体为电子亏损型材料，N型半导体为电子富余型材料。
在PN结中，P区域被称为阳极，N区域被称为阴极。
当PN结正向偏置时，即阳极接正电压，阴极接负电压，电子从N区域向P区域扩散，空穴从P区域向N区域扩散。
这种扩散过程导致PN结两侧电荷分布不均，形成电场。
电子和空穴在电场的作用下向相反方向运动，形成电流。
三、实验步骤：1. 准备实验所需材料：PN结二极管、电源、万用表等。
2. 搭建实验电路：将PN结二极管连接到电源的正极，将万用表连接到二极管的阳极和阴极。
3. 调节电源电压，记录不同电压下的电流值。
4. 将实验温度逐渐升高，重复步骤3。
四、实验结果与分析：实验数据如下表所示：电压（V）电流（mA）0.2 0.010.4 0.030.6 0.050.8 0.071.0 0.10从实验数据可以看出，当电压增大时，电流也随之增大。
这符合PN结正向特性的基本规律。
根据理论知识，当PN结正向偏置时，电流与电压之间存在指数关系。
即电流随电压呈指数增长。
这是因为随着电压的增大，电子和空穴的扩散速度增加，导致电流增大。
此外，实验还发现PN结的正向特性与温度密切相关。
随着温度的升高，PN结的电流-电压特性曲线整体上会右移。
这是因为温度升高会增加载流子的热运动，使得电子和空穴更容易穿过PN结，从而导致电流增大。
五、实验结论：通过本实验，我们验证了PN结的正向电流-电压特性，并探究了其与温度的关系。
实验结果表明，PN结的电流随电压呈指数增长，且随着温度的升高，整体上会右移。
六、实验总结：本实验通过实际测量验证了PN结的正向特性，并深入探讨了其与温度的关系。
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。
pn结的特性研究实验报告
pn结的特性研究实验报告一、实验目的本实验旨在深入研究 pn 结的特性，包括其电流电压特性、电容特性等，以加深对半导体物理中 pn 结基本原理和工作机制的理解。
二、实验原理1、 pn 结的形成当 p 型半导体和 n 型半导体紧密接触时，由于两边载流子浓度的差异，会发生扩散运动。
p 区的空穴向 n 区扩散，n 区的电子向 p 区扩散，在接触面附近形成空间电荷区，也就是 pn 结。
空间电荷区产生内建电场，阻止扩散运动的进一步进行，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，pn 结形成。
2、 pn 结的电流电压特性根据半导体物理理论，pn 结的电流电压关系可以用肖克利方程来描述：＼ I ＝ I_0 （e^｛＼frac{qV}｛kT}｝ 1) ＼其中，＼（I\）是通过 pn 结的电流，＼（I_0\）是反向饱和电流，＼（q\）是电子电荷量，＼（V\）是施加在 pn 结上的电压，＼（k\）是玻尔兹曼常数，＼（T\）是绝对温度。
当施加正向电压时，电流随电压迅速增加；当施加反向电压时，在一定范围内，电流很小，几乎为零，当反向电压超过一定值（击穿电压）时，反向电流急剧增加。
3、 pn 结的电容特性pn 结的电容包括势垒电容和扩散电容。
势垒电容是由于空间电荷区的宽度随外加电压的变化而引起的电容效应；扩散电容是由于扩散区中少数载流子的积累和释放而产生的电容效应。
三、实验仪器与材料1、半导体特性测试仪2、待测 pn 结样品3、连接导线若干四、实验步骤1、连接实验仪器将半导体特性测试仪与待测 pn 结样品通过导线正确连接，确保连接牢固，接触良好。
2、测量电流电压特性设置半导体特性测试仪的工作模式为电流电压测量，逐步改变施加在 pn 结上的电压，从负向较大电压开始，逐渐增加到正向较大电压，记录相应的电流值。
3、测量电容电压特性将测试仪切换到电容电压测量模式，同样改变施加的电压，记录不同电压下的电容值。
4、重复测量为了提高测量的准确性，对上述测量过程进行多次重复，取平均值作为最终结果。
【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。
大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
∆ = | Eg (TS ) − E(TS ) | = |1.209 −1.21| = 0.0008 = 0.08%
E(TS )
E(TS )
1.21
在升温过程中 S=-2.19805mV/℃,那么根据公式计算得 Vgv = VF (TS ) + VF (0) ∆T = VF (273.2 + TS ) + S ⋅ ∆T = [598 /1000 + (−2.19805) × (−273.2) /1000]V = 1.199V
T T1
r
V F理想
= VF1
+
∂VF1 ∂T
(T
− T1 )
[ ] V理想 = VF1 + − Vg − VF1 − k r(T − T1 ) = Vg (0) − Vg (0) − VF1 T − k (T − T1 )r
T1
q
T1 q
两个表达式相比较，有：
∆ = V理想 − VF = − k r(T − T1 ) + kT Ln( T )r
c IF
T
( ) Vn1 = − KT InT r q
在上面 PN 结正向压降的函数中，令 IF=常数，那么 VF 就是 T 的函数。 考虑 Vn1 引起的线性误差，当温度从 T1 变为 T，电压由 VF1 变为 VF：
[ ] VF
= Vg (0) −
Vg (0) − VF1
T T1
−
kT q
1 n
0
-20
A
-40
Linear Fit of Data1_A
-60
PN结实验
二、实验原理
2．PN结测温原理和温标转换 kT Vn1 = − ln T r q 尽管方程中 是非线性项，但是 实验和理论证明，在温度变化范围不大时，VF温度 响应的非线性误差可以忽略不计。（对于通常的硅 PN结材料，这个温度区间为-50～150℃ 。）
四、实验步骤
3、∆V T 测曲线 开启加热电源（指示灯亮）加热电流范围0.2～ 0.3A，并记录△V和T值，按每改变5mV立即读取 相应T值。为使整个实验符合热力学条件，在实 验过程中升温速度要慢。 4、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S ο （ mv / C） 作 ∆V T 曲线，求斜率S。
Vg (0) = VF (t 0 ) + (273 + t0 ) S
所以
Eg (0) = q [VF (t 0 ) + (273 + t0 ) S ]
三、实验仪器
• TH-J型PN结正向压降 与温度关系测量仪 • 五芯电缆一根
三、实验仪器
三、实验仪器
1. 加热测试装置
三、实验仪器
2. 测试仪
二、实验原理
2．PN结测温原理和温标转换 对给定的PN结材料，如果正向电流恒定不变， 在允许的温度变化区间内，PN结的正向电压与温度 成线性关系，即正向电压随温度的升高而线性下降， 即
k C VF = Vg ( 0 ) − ( ln )T q IF
因此，只要测出正向电压的大小，就可 得知这时的温度，这就是PN结测温的依据。
k C Vg (0) = VF + ln q IF
所以
= Eg (0) qV = g (0) q (VF (0) + 273S )
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型两种半导体材料组成。
通过合理的掺杂工艺，P型材料中掺入三价掺杂剂，N型材料中掺入五价掺杂剂，使得PN结具有独特的电学特性和器件功能。
而本次实验旨在研究PN结的特性，并通过实验数据验证PN结的一些基本特性。
实验步骤如下：1. 准备实验器材与元件：我们需要准备的实验器材包括电流源、电压源、台式电压表、数字万用表和示波器等。
而元件方面，可选择硅（Si）或锗（Ge）为半导体材料，并分别制备P型和N型材料单晶体。
2. 制备PN结：首先，将P型和N型材料片分别放入刻有浅浩深度的腐蚀液中进行腐蚀，以去除表面的氧化层。
然后，分别用净化液进行洗涤，使片面维持清洁无杂质状态。
接下来，将两片材料通过高温扩散或涂覆方式粘接在一起，形成PN结结构。
3. 测量I-V特性曲线：使用电流源和电压源连接到PN结，依次改变电流和电压的大小，测量不同电压下的电流值。
将实验得到的I-V数据记录下来，并绘制出I-V特性曲线。
4. 测量C-V特性曲线：切换到电容模式，依然使用电压源和电流源连接到PN结，逐渐增加电压的大小，并测量得到不同电压下的电容值。
将实验得到的C-V数据记录下来，并绘制出C-V特性曲线。
实验结果与数据分析：从实验数据可以得知，PN结的I-V特性曲线通常呈现出非线性的特点。
在低于开启电压的情况下，PN结的电流非常微弱，近似于零电流。
一旦开启电压达到一定阈值，PN结将出现快速增加的电流。
而在反向电压下，PN结的电流保持较小的值。
通过对I-V曲线的分析，我们可以得知PN结的整流特性。
具体来说，当PN结正向偏置时，导通电流会迅速增加，这意味着PN结可以作为半导体整流器件使用。
而反向偏置时，可以发现PN结具有一定的阻断能力，可作为保护电路使用。
同时，C-V曲线也能提供有关PN结的一些信息。
当电压的振幅增加时，PN结的电容值将增大。
这是因为在高反向电压下，空穴和电子会被强烈地吸引到PN结中，从而增加了电容。
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）
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。
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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
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。
二、实 验 原 理
PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 结是指 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导 电区相接触的截面形成了P 电区相接触的截面形成了P-N结 VF 一般来说， 一般来说，对于一个理想 的PN结，其正向电流IF和压降 PN结 其正向电流I VF 存在如下近似关系： 存在如下近似关系： P
2、∆VT曲线的测定 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆ 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 120℃ 记录数据填入数据表。 记录数据填入数据表。 （要求电压每下降-10V，记录一次温度） 要求电压每下降-10V，记录一次温度） 3、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃） 求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S mv/℃ PN结正向压降随温度变化的灵敏度 方法是： 方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线 曲线，其斜率就是S 求得。 求得。 T 0
其中Vg（ 其中Vg（0）是摄氏0度时的电压，S是V—T变化的 Vg 是摄氏0度时的电压， T 斜率， 是温度变化值。公认值Eg(0)=1.21 Eg(0)=1.21电子伏特 斜率，T是温度变化值。公认值Eg(0)=1.21电子伏特 然而由于实验中测量得到的不是VF VF（ 而是VF VF（ 。然而由于实验中测量得到的不是VF（0）而是VF（ TM）（ TM=t+273),因此上述公式中的Vg（ 因此上述公式中的Vg TM）（ TM=t+273),因此上述公式中的Vg（0）应用 ∆T =t +. 273 Vg（TM）替代， Vg（TM）替代，温度
测试仪外形
电压显示 温度显示 加温输出
加温调节
△v清另
IF调节 IF调节
信号输入
四、实 验 操 作
1、首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流IF为某 首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流I 一固定值（本实验测量设定I =50µ ），在本实验的起始 一固定值（本实验测量设定IF=50µA），在本实验的起始 温度下测得V ），然后由 然后由“ 调零” V=0。 温度下测得VF（Tm），然后由“∆V调零”使∆V=0。 点 击 播 放
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：
பைடு நூலகம்
基准电源，
一组用于补偿被测PN结在0℃或室 一组用于补偿被测PN结在0℃或室 PN结在0℃ 的正向压降V (0） 温TR的正向压降VF(0） 一组基准电源用于温标转换和校 准其输出电流以1 A 准其输出电流以1µA／OK正比于绝 对温度， 对温度， 显示单元： 电压为-55—150mV 150mV。 电压为-55 150mV。采用量程为 200.0mV的LED显示器进行温度 土200.0mV的LED显示器进行温度 测量。 测量。 一组量程为土1000mV LED显示器 1000mV的 一组量程为土1000mV的LED显示器 用于测量 IF、VF和∆V，可通过仪 器上“测量选择”开关来实现。 器上“测量选择”开关来实现
H A D
T B
待测PN PN结 A-样品室 B-样品座 D-待测PN结 P1T-测温元件 H-加热器 P1-D、T引角 线 P2P2-加热电源插座
PN结样品架外形 PN结样品架外形
加热线
信号线
2、测试仪结构
恒流源：
一组提供I 电流输出范围为0 一组提供IF，电流输出范围为01000µ 连续可调； 1000µA连续可调； 一组用于加热，其控温电流为0.1 一组用于加热，其控温电流为0.1 1A，分为十档， 一1A，分为十档，逐档递增或递 0.1A。 减0.1A。
PN结正向压降温度特性的研究
¿
电磁学系列
3
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。
∆ V
4、估算被测PN结材料（硅）的禁带宽度 估算被测PN结材料（ PN结材料 根据前述理论，略去非线性项，可得被测PN结材料 根据前述理论，略去非线性项，可得被测PN结材料 PN 的禁带宽度Eg(0)由以下两公式决定： Eg(0)由以下两公式决定 （硅）的禁带宽度Eg(0)由以下两公式决定：
VF (0) Vg (0) =VF (0) + ×∆T =VF (0) + S ×∆T T Eg (0) = q×Vg (0)
k c kT r VF =Vg (0) −( ln )T − lnT =Vl +Vnl q IF q
其中
k c V =Vg (0) − ( l n )T, l q IF V =− nl
（3）
kT l Tr n q
式（3）就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达 就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达 PN 式，它是PN结温度传感器的基本方程。 它是PN结温度传感器的基本方程。 PN结温度传感器的基本方程 当令I 常数，则正向压降只随温度而变化。 当令IF=常数，则正向压降只随温度而变化。由 方程式(3)可见，VF除线性项V 外还包含非线性项V 方程式(3)可见，VF除线性项Vl外还包含非线性项Vnl。 (3)可见 除线性项 由理论计算可知在恒流供电条件下，PN结的V 由理论计算可知在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依 结的 赖关系主要取决于线性项V 非线性项忽略不计。 赖关系主要取决于线性项Vl，非线性项忽略不计。所 以正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结 以正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结 PN 测温的依据。 测温的依据。
IF P-N结
N
qV IF = IS ex F p kT
（1）
其中q为电子电荷； 为玻尔兹曼常数； 为绝对温度； 其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度； 为反向饱和电流。 IS为反向饱和电流。
可以证明：
qVg (0) r ) IS = CT exp(− kT
（2）