大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告实验报告：PN结正向压降与温度关系的研究实验摘要：本实验旨在研究PN结正向压降与温度之间的关系。
通过改变PN结的温度，测量对应的正向压降，并分析得出结论。
实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
引言：PN结是半导体器件中的重要组成部分，其正向压降是衡量PN结导通能力的重要参数。
正向压降与温度之间的关系对于理解和优化半导体器件的性能具有重要意义。
因此，研究正向压降与温度之间的关系对于半导体器件的应用具有重要的理论和实际意义。
实验材料和方法：1.实验材料：PN结样品、测量仪器（包括数字万用表、恒流源等）。
2.实验方法：a.搭建实验电路，将PN结样品连接到恒流源，设置合适的电流值。
b.测量不同温度下PN结的正向压降，记录实验数据。
c.对实验数据进行处理和分析，得出结论。
实验结果：在实验过程中，我们固定了恒流源的电流值为I=10mA。
通过改变PN结的温度，在不同温度下测量了对应的正向压降数据，将实验数据整理如下：温度(℃)正向压降(V)250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78600.82讨论和结论：实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
这可能是由于温度升高导致了载流子在PN结中的增加，进而导致了正向电流的增加，从而使正向压降增加。
此外，温度升高还可能导致半导体材料的电阻变化，进而影响了正向压降。
综上所述，通过对PN结正向压降与温度关系的研究实验，我们发现正向压降与温度呈正相关关系。
这对于理解PN结的导通特性和优化半导体器件的性能具有重要意义。
附录：实验数据表格温度(℃)正向压降(V) 250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78。
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(kTqV Is I FF = 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[kTqV CT Is g r -=由上面可以得到： 11)0(n r F g F V V InT q kT T Ic In q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 其中()rn F g InT qKTV T IcIn 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 ： []rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=1111)0()0( )(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想()[]()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(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想两个表达式相比较，有：()r F T TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆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T S T V T TV T V V s F F S F g ∆⋅++=∆+=)2.273()0()( ∆T=-273.2K ，即摄氏温标与凯尔文温标之差。
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结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用一、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、在恒流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线,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、实验原理图1 p-n结基本结构价带顶部激发电子到导带相当于共价键上缺少一个电子而出现一个空位置，而在晶格间隙出现一个导电电子。
空状态带有正电荷，叫“空穴”。
空穴能导电，具有有效质量。
**n p m m -=3.PN结的形成当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.三、实验仪器•TH-J型PN结正向压降与温度关系测量仪•五芯电缆一根四、实验步骤1、实验系统的连接控制电流开关置“关”的位置，此时加热指示灯不亮，接上加热电源线及信号传输线将样品室与仪器相连。
注意定位标记。
拆除时应拉插头外套不可硬拉和转动。
2、V ~T 的测量和调零 开启仪器背部的电源开关，加热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K ）拔到 档，由“ 调节”使 =50µA ，记下当时温度值。
将K 拔到△V 档，由 “△V 调零”使△V=0。
3、 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10mV 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 （ ）F/mv C作 曲线，求斜率S 。
五、实验数据记录V(mv)-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65-70 T( C) 24.1 26.4 28.6 30.8 33.0 35.2 37.4 39.5 41.7 43.8 46.0 48.2 50.3 52.4实验起始温度： 21.4℃工作电流： = 50µA 起始温度时的正向压降： 573mV六、数据处理过程及结果、结论s T =FI ()F R V T =七、注意事项1、仪器连接线的芯线较细，所以使用时应注意，不可用力过猛。
【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。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告摘要：本实验通过测量PN结正向偏置情况下的正向压降随温度的变化，研究PN结的温度特性，并探索其在实际应用中的可能的应用。
引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，其正向特性在电子学领域具有重要的应用价值。
而PN结的温度特性对于器件的工作稳定性和可靠性有较大的影响。
因此，研究PN结的温度特性，尤其是正向压降与温度的关系，对于提高器件性能有着重要意义。
实验目的：1.研究PN结的温度特性，特别是正向压降随温度的变化规律；2.探索PN结温度特性相关的应用，例如热敏电阻等。
实验原理：PN结在正向偏置情况下，通过正向电流使得P区载流子与N区载流子复合，产生电压降。
根据热力学原理，温度升高会提供更多的热能，促使载流子的热激发增加，从而降低正向电压的阻挡力。
因此，PN结正向压降与温度呈负相关。
实验步骤：1.搭建实验电路：将PN结与电源和电流测量仪连接，确保电路连接正确。
2.在实验装置中设置好温度传感器，与PN结接触。
3.调节电源的正向电流，并分别测量不同温度下的正向压降和电流。
4.依次调节不同温度下的电流，重复步骤3，记录数据。
实验结果：将测得的正向电流和压降数据制成表格，并绘制电压-温度曲线和电流-温度曲线。
讨论：通过分析实验结果，可以发现PN结的正向压降随着温度的升高而逐渐降低，且呈现较大的线性关系。
这与实验原理的推测相符合。
应用：基于PN结正向压降与温度的关系，我们可以将其应用于热敏电阻的制备和温度测量。
热敏电阻可以根据PN结的特性，根据温度的变化来改变电阻值，从而实现温度的感应和测量。
这在实际工业控制和家用电器中具有广阔的应用前景。
结论：通过本实验研究PN结的温度特性，我们发现PN结的正向压降随着温度升高而逐渐降低，并且可以将该特性应用于热敏电阻的制备和温度测量中。
实验结果对于提高PN结的性能和应用具有重要参考价值。
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：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(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）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 Fg F V V InT q kT T I c In qkV V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中这就是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[]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）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TVF ∂∂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 TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=*,由（8）式可得=，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
实验4.1 PN结正向压降温度特性研究(luo)
定义 则
k C S = ln 为PN结温度传感器灵敏度 q IF
VF = Vg (0) − ST
设任一温度T 时的VF值与参考温度TR 时的值 VF (TR ) 之 差为ΔV，即 VF = VF (T ) + ΔV
R
代入上式有 VF (TR ) + ΔV = Vg (0) − ST
VF (TR ) = Vg (0) − STR
图1
10
步骤二： 如图2所示：将“测量选择”键转到“IF”项；调节“IF调 节”旋钮，使IF 值为50μA.
图2
11
步骤三： 如图3所示：将“测量选择”键转到“ΔV”项；调节“ΔV 调零”旋钮，使 ΔV 值为0.
图3
12
步骤四： 旋转“控温电流”钮，开启加热电流（加热指示灯亮）。 （注意：刻度一般不要超过0.5，以防升温过快）。
7
数据处理要求
1. 按教材要求处理数据。 2. 用标准的坐标纸作图。 3. 数据处理应该有过程，单位，不能只写出结果. 4. 进行结果讨论。
8
实验操作指导
9
步骤一：（在背面电源已打开预热10分的基础上） 关闭“控温电流”开关；将“测量选择”键转到“VF”项； 记录显示屏上的温度值 tr 和对应VF （即 VF ( t r ) ）值.
第一组同学做升温实验（从室温开始）。
先将ΔV 值调为0，升温后达到表中第一行各值时记录下对应的温度填入第二行。
ΔV
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
...... ≈100℃
t
tr
tr ≈ 室温
第二组同学做降温实验（从100℃左右开始）
先将ΔV 值调为0，降温后达到表中第一行各值时记录下对应的温度填入第二行。
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∆ = | 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
-80
-100
-120
-140
-160
-180
-200 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
T
Linear Regression for Data1_A: Y=A+B*X
图一：升温过程温度和压降的关系
Parameter Value Error -----------------------------------------------------------A 53.04359 0.12472 B -2.23687 0.00178 ------------------------------------------------------------
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
T
图二：降温过程压降和温度的关系
实验报告
评分：
Linear Regression for Data1_A: Y=A+B*X
Parameter Value Error -----------------------------------------------------------A 51.56749 0.55986 B -2.19805 0.00821 ------------------------------------------------------------
实验报告
评分：
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 IF 和压降 VF 存在近似关系：
IF
=
Is exp( qVF kT
)
其中 q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，IS 为反向饱和电流：
Is = CT r exp[− qVg (0)] kT
由上面可以得到：
VF
=
Vg
(0)
−
k q
In
c IF
T
−
kT q
InT r
= V1 + Vn1
其中
V1
= Vg (0)
−
k q
In
2、测∆V—T 曲线为何按∆V 的变化读取 T，而不是按自变量 T 取∆V。 Sol：实验过程中，V 的变化相对于 T 来说比较慢，变化也比较稳定，能够比较精确地读数，如果根据 T 来读∆V，容易造成错误读数。
都在控制在 1%以内； 3、实验中降温过程所耗时间比较长，可以用人工辅助的方法让其降温速度加快（为精确起见，需要读数
的温度点附近应该让其自然降温）；
思考题： 1、测 VF（0）或 VF（TR）的目的何在？为什么实验要求测∆V—T 曲线而不是 VF—T曲线。
Sol：测量 VF（0）或 VF（TR）是为了能根据公式计算出在相应温度下的禁带宽度。实验中测量∆V—T 曲 线相对方便读数（整十），而 VF—T往往不是有很明显的读数点，容易造成失误。
R SD N P ------------------------------------------------------------0.99999 0.17501 18 <0.0001
V/V
0
-20
A
-40
Linear Fit of Data1_A
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180
∆V= VF（T）-VF（TS）mv
升温过程 T℃
-10
28.0
-20
32.6
-30
37.1
-40
41.6
-50
46.1
-60
50.6
-70
55.1
-80
59.6
-90
64.0
-100
68.4
-110
73.0
-120
77.4
-130
81.8
-140
86.3
-150
90.7
-160
95.2
-170
99.7
-180
104.1
表一：实验数1 37.0 41.6 46.3 50.8 55.2 60.2 64.7 69.2 74.0 78.4 82.7 87.4 91.6 95.9 100.0
数据处理： 利用 ORINGIN，将升温和降温过程分别作图：
实验报告
评分：
V/V
q
q T1
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 Eg(0)=qVg(0)电子伏。根据（6）式，略去非线性，可得
实验报告
评分：
Vg
=
VF
(TS
)
+
VF (0) T
∆T
= VF (273.2 + Ts ) + S ⋅ ∆T
∆T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。将实验所得的 Eg（0）与公认值 Eg（0）=1.21
电子伏比较，求其误差。
实验数据：
实验起始温度 TS=23.6℃
工作电流 IF=50μA
起始温度为 TS时的正向压降 VF（TS）=598mV
T 那么显然有 Eg（0）=Vgve=1.199eV，与公认值 1.21比较有
∆ = | Eg (TS ) − E(TS ) | = | 1.199 −1.21 | = 0.009 = 0.9%
E(TS )
E(TS )
1.21
实验小结： 1、本实验原理比较难，计算式推导比较复杂，但是实验操作和过程都比较简单； 2、实验过程中比较顺利，最后得到的数据比较好，计算结果与公认值差距不大，升温降温两个过程误差
R SD N P ------------------------------------------------------------0.9999 0.75482 17 <0.0001
根据以上可以计算出： 在降温过程中 S=-2.23687mV/℃,那么根据公式计算得 Vgv = VF (TS ) + VF (0) ∆T = VF (273.2 + TS ) + S ⋅ ∆T = [598 /1000 + (−2.23687) × (−273.2) /1000]V = 1.209V