大学物理实验课件 实验5.3 PN结的特性
PN结——电容特性优秀课件
的电子电流一定；半导体流向金
－
属的电子电流因电位增加而降低，
故有半导体→金属反向电流（恒
定）。
金属半导体接触I-U特性类似于pn结的伏安特性
I
正向特性
VD
反向特性
肖特基二极管
利用金属—半导体整流接触特性制成的二极管称 为肖特基二极管。
肖特基二极管与pn二极管的比较
相同：单向导电性 不同：
1 反向电流产生机制不同： ➢肖特基二极管为多数载流子工作 ➢pn接面二极管为少数载流子工作 ➢结果：肖特基二极管的饱和电流要 大得多，起始电流也较大。
P
△U变化时，P区 积累的非平衡少 子浓度分布图
3 1
2
电子浓度
1 ΔU=0
2 ΔU<0
x 3 ΔU>0
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. ..
.
.
P
PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。
这种电容效应用扩散电容CD表征。
CD Q U
PN结正偏时，由N区扩 散到P区的电子（非平衡少 子），堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近，到远离交界 面处，形成一定的浓度梯 度分布曲线。电压增大， 正向（扩散）电流增大。
扩散电容示意图
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. . .
..
C1 L
Байду номын сангаасDC
R
+ UD –
PN结的物理特性实验
量中。
LF356 是一个高输入阻抗集成运算放大 器, 用它组 成的 电流- 电压 变换器( 弱电 流放
大器) , 如图4 .1 .2 所示。其中虚线框内电阻 Zr 为电流- 电压 变换 器等 效输入 阻抗( 弱电
流放大器等效内阻) 。由图4 .1 .2 可知, 运算放大器的输出电压为
Uo = - K0 Ui
量作为已知值代入, 即可得到玻耳兹曼常数 k 。
为了 验 证 式( 4 .1 .2) 及 求 出 准 确 的 e/ k 常 数 , 在 实 际 测 量 中, 选 取 性 能 良 好 的
TIP31 型 硅三 极管( NPN 管) , 接 成 共 基 极 线 路。 实 验 中, 发 射 极 与 基 极 处 于 较 低 的 正
图4 .1 .2 电流- 电压变换图
[ ᇔ僂Ԡಞ] FD- PN- 2 型 PN 结物理特性测 定仪, 其 主要 组 成部 分 有电 源、数 字 电压 表 组 合装 置
( 包括±15 V 直流电源、1 .5 V 直流电源、三位半 数字电 压表、四位 半数 字电 压表) 及 实验 板一块( 由电路图、LF356 运算放 大器、印 刷电路 引线、多 圈电 位器、接 线 柱等 组成) , 带 3 根引线的 TIP31 型硅三极管, 温度计。 [ ᇔ僂ᇯ]
( 1) 将测得的 U1 和 U2 各对数据, 以 U1 为自变量, U2 作因变量, 分别代入: ①线性函
数 U2
=
a U1
+
b;
②乘幂函数 U2
=
a
Ub 1
;
③指数函数 U2
=
aexp(
b U1 )
,
求出各函数相应的 a
和b 值, 得出3 种函数的经验公式。
pn结的基本特性是什么
pn 结的基本特性是什么pn 结的基本特性是什幺1、正向导通，反向截止。
当正向电压达到一定值时（硅管0.7 伏，锗管0.3 伏）左右时，电流随电压成指数变化。
与电阻相比它是具有非线性特性的，因此它的特性曲线一般是非线性的。
2、有两种载流子，即电子和空穴。
3、受温度影响比较大，因为温度变化影响载流子的运动速度以及本征激发的程度，因此设计或者运用时常需要考虑温度问题。
PN 结的击穿特性如图所示，当加在PN 结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，PN 结产生电击穿—这就是PN 结的击穿特性。
发生击穿时的反偏电压称为PN 结的反向击穿电压VBR。
PN 结的电击穿是可逆击穿，及时把偏压调低，PN 结即恢复原来特性。
电击穿特点可加以利用（如稳压管）。
热击穿就是烧毁，是不可逆击穿。
使用时尽量避免。
PN 结被击穿后，PN 结上的压降高，电流大，功率大。
当PN 结上的功耗使PN 结发热，并超过它的耗散功率时，PN 结将发生热击穿。
这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN 结烧毁。
PN 结的单向导电性正向偏置时，空间电荷区缩小，削弱内电场，外电场增大到一定值以后，扩散电流显着增加，形成明显的正向电流，PN 结导通。
反向偏置时，空间电荷区拓展，加强内电场，扩散运动大大减弱，少子的漂移运动增强并占优势。
然而常温下掺杂半导体的少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。
温度一定时，少子浓度一定，PN 结反向电流几乎与外加反向电压无关，所以又称为反向饱和电流。
PN 结的电容特性PN 结除具有非线性电阻特性外，还具有非线性电容特性，主要有势垒电容和扩散电容。
1、势垒电容：势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用CT 表示。
CT=dQ/dVPN 结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况（缓变结参见《晶体管原理》），PN 结相当于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄但这个变化比较小可以忽略，则CT=εS/L，已知动态平衡下阻挡层的宽度L0，代入上式可得：CT 不是恒值，而是随V 而变化，利用该特性可制作变容二极管。
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半导体pn结是常见的半导体器件之一，由p型半导体和n型半导体构成。
与其它半导体器件相比，它有很多特殊的物理特性。
首先，当p型半导体和n型半导体结合时，两种材料的掺杂离子会互相扩散，导致接触面区域形成一个空间电荷区。
这个区域中没有载流子，因此是不导电的。
在pn结正侧和负侧形成了电位差，负侧形成了减小电位相对于正侧，就形成了内建电场。
这个电场会阻止载流子（即电荷）通过pn结。
当向pn结外加电压时，如果外加电压与内建电场方向相反，则内部电场减弱，载流子的移动就更容易了，流动性能增强；反之外部电场增强内部电场，丝毫不利指导电流的流动，参极熑阻挡作用，这就是pn结的整流特性，即所谓的势垒效应。
由于pn结的势垒效应，它可以将电流的方向限制在一个方向上，使其变成单向导电，即只有在正向电压下才能导通，反向电压下是不导通的。
这个特性非常有用，例如在电子电路中可以用它来作为整流器、稳压器、放大器等器件。
此外，由于pn结的导通特性，其本身也可以被用来制造发光二极管、太阳能电池等器件。
在弱电流测量实验中，pn结也被广泛应用。
由于pn结在反向偏置时具有可靠的硬特性，可以被用来作为电流表的电压比较器，在电流表中起到非常重要的作用。
这种电压比较器又称为伏安电路，可以将电流转换成电压，测量微弱电流。
具体而言，电流I进入测量电路，经过一个电阻R后进入远端的伏安电路（即pn结），由于其反向偏置，只有微小的正向漏电流I流经伏安电路，并引起一个微小的电压降U，这个电压降就是I通过伏安电路时所产生的电势差，按照欧姆定律，U/R=I，即可转化为电流的大小。
通过这种方法，研究者可以测量非常微小的电流，比如常常需要测量光电器件、二极管、甚至可以用来研究生物体内的电流等。
总之，半导体pn结的物理特性和其在弱电流测量实验中的应用对于电子学研究和工程实践具有非常重要的意义。
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。
（完整版）PN结的特性
（完整版）PN结的特性PN结的特性实验目的与实验仪器【实验目的】1）研究PN结正向压降随温度变化的基本规律2）学习PN结测温的原理和方法3）学习一种测量玻尔兹曼常数的方法【实验仪器】DH-PN-2型PN结正向特性综合实验仪、DH-SJ温度传感实验装置实验原理（限400字以内）1）理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足关系式：I F=I S[e qU FkT?1]。
考虑到常温下，Ktq=0.016V,则理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足近似关系式：I F=I S e qU FkT。
其中，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度，I S为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，I S=CT r e?qU g(0)kT,其中，C是与结面积、掺杂浓度有关的常数，r是常数，其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系（通常取3.4），U g(0)为0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
2）将I S带入I F式中，两边取对数，得到：U F=U g(0)?(kq lnCI F)T?kTqlnT r=U l+U nl,其中U l=U g(0)?(kq lnCI F)T，U nl=?kTqlnT r。
这就是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，是PN结温度传感器的基本方程。
3）对于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间，根据对U nl项所引起的线性误差的分析可知，在恒流供电条件下，PN结的U F 对T的依赖关系主要取决于线性项U l，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。
U 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。
实验步骤1．实验系统的检查与连接“加热电流”、“风扇电流”都置“关”，插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，PN结引出线分别插入测试仪上的+V、-V、+I、-I。
2．玻尔兹曼常数k的测定a)PN结I-U关系的测量I F=I S e qU FkT式表明，PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。
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。
pn结的特性实验报告
pn结的特性实验报告PN结的特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
在本次实验中，我们将通过实验来研究PN结的特性，包括正向偏置、反向偏置和截止电压等。
通过实验数据的分析，我们可以更好地理解PN结的工作原理和特性。
实验方法：1. 实验仪器和材料：- P型硅片和N型硅片- 直流电源- 电压表- 电流表- 变阻器- 连接线等2. 实验步骤：1) 将P型硅片和N型硅片连接起来，形成一个PN结。
2) 将正极连接到P型硅片，负极连接到N型硅片，进行正向偏置实验。
3) 测量正向电流和正向电压的关系。
4) 将正极连接到N型硅片，负极连接到P型硅片，进行反向偏置实验。
5) 测量反向电流和反向电压的关系。
6) 根据实验数据分析PN结的特性。
实验结果和分析：1. 正向偏置实验：在正向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐增加，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
随着电压的增加，电流迅速增加，符合指数增长的特性。
这是因为在正向偏置下，PN结的载流子被注入并迅速扩散，形成电流。
2. 反向偏置实验：在反向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐减小，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
然而，当电压超过截止电压时，电流急剧增加。
这是因为在反向偏置下，PN结的耗尽层宽度增加，电流主要由漏电流组成。
3. 截止电压：通过实验数据的分析，我们可以得到PN结的截止电压。
在正向偏置实验中，当电流开始迅速增加时，我们可以得到PN结的截止电压。
同样，在反向偏置实验中，当电流开始急剧增加时，也可以得到PN结的截止电压。
通过多次实验得到的数据可以取平均值，提高结果的准确性。
结论：通过本次实验，我们成功研究了PN结的特性。
正向偏置下，PN结的电流随电压增加而指数增长；反向偏置下，PN结的电流在低于截止电压时非常小，但在超过截止电压后急剧增加。
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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I
F ，由“I
F
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。
3.温度降到45℃以下时再切换到Ge管进行测量，
以免Ge管烧毁。
北京科技大学物理系张师平
数据处理要求
1.使用坐标纸画出室温下的V F-I F曲线，计算玻尔兹
曼常数k，并与标准值k=1.3807×10-23J/K比较，
求出百分差。
2.使用Excel软件分别画出Si管和Ge管的V-T曲线，
利用软件计算曲线斜率分别得到测温灵敏度，并计算PN结材料禁带宽度，与标准值进行比较，
并计算百分差。
北京科技大学物理系张师平。