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

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。

PN 结正向压降与温度特性的研究0419 PB04204051 刘畅畅实验目的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PN 结正向压降是有关电流和温度这两个量的函数表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。

令F I ＝常数（实验中取50F I A μ=），则正向压降只是温度的函数，即其只随温度而变化，且在一定的范围内是线性的关系。

而且其线性关系比较好，但当温度变化范围较大时，温度响应的非线性误差将有所递增。

根据V T ∆-的曲线斜率便可以算出PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S ()/mV C 。

在忽略非线性误差后可以估算被测PN 结材料的禁带宽度()()00g g E qV =电子伏。

数据处理与分析一．测量实验初始状态开启测试仪电源，预热10～15分钟。

将“测量选择”开关K 拨到F I ，用“F I 调节”旋钮使显示屏上的示数为50A μ，此时50F I A μ=。

将K 拨到F V ，记下F V 的值。

再将K 拨到V ∆档，用“V ∆调零”旋钮使0V ∆=。

测得的数据记录如下： 实验起始温度：16.5Ts C = 工作电流：50F I A μ=起始温度为Ts 时的正向压降：()641F V Ts mV =二．测定V T∆-曲线，并求得灵敏度S∆-曲线的斜率即为PN结正向压降随温度变化的灵敏度S。

V T1．升温过程打开控温电流，使其由0.1A开始缓慢增大，最大不要超过0.7A。

记录下F V每变化（减小）10mV所对应的温度值T。

测得的数据记录如下：C T16.521.1得到升温过程的V T ∆-图：-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20020 V /m VLinear Regression for Data1_B: Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------ A 31.65452 0.1919 B -1.97965 0.00285------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------ -0.99998 0.3434 19 <0.0001------------------------------------------------------------从以上数据中可以得到： 斜率B= 1.97965/mV C - 线性拟合相关系数0.99998R =-即：PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 1.97965/S mV C =-T/C斜率的标准差为：()31.979653.0310/mms ms mV C-==-∴=-⨯所以PN结正向压降随温度变化的灵敏度最终结果是：()1.97970.0030/S mV C=-±2．降温过程关闭控温电流，打开样品室，使其自然冷却。

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。

实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。

此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。

PN 结正向压降与温度的关系实验指导书一、实验目的1、了解PN 结正向压降(F V )随温度T 变化的基本关系式。

2、在恒流(F I )条件下测△V —T 变化曲线并确定灵敏度S 。

3、学习用PN 结测温的方法。

二、原理理想PN 结的正向电流F I 和压降F V 存在如下近似的关系式。

exp(/)F s F I I qV kT = (1)其中q 为 电子电荷；K 为玻尔兹曼常数;T 为绝对温度；s I 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exp[(0)/]r s s I CT qV kT =- (2)其中 C 与结构及材料等有关的常数;r 也是常数;(0)g V 为绝对零度时PN 结材料与禁带宽度有关的量。

将(2)式代入(1)式,两边取对数可得(0)(ln )ln rF g F k c kT V V T T q I q=-- (3) =11n V V +其中1(0)(ln )g Fk c V V T q I =- 1(ln )r n kT V T q=- 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F I =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1V 外还包含非线性项1n V .由于非线性项1n V 相对于1V 能引起误差，对于通常的硅二极管来说,在温度050C -0150C + 间,误差甚小。

即正向压降几乎随温度的升高而线性下降,这就是PN 结温度的依据。

目前有多种方法可以改善线性度。

在实际应用中并非测量F V 与T 的关系，多数情况通过电桥形式将F V T 转换成摄氏温标表示的,从某一起始温度开始的V T ∆ 关系。

下图所示为测量框图.图中D 为待测PN 结二极管，F I 为提供二极管的恒定工作电流源，F V 为工作电压，调节2R 使电桥输出端AB 电压为零或从某一起始温度时输出电压。

PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究PN 结作为最基本的核心半导体器件，得到了广泛的应用，构成了整个半导体产业的基础。

在常见的电路中，可作为整流管、稳压管；在传感器方面，可以作为温度传感器、光敏二极管等。

研究和掌握PN 结的特性具有重要的意义。

单向导电性是PN 结最基本的特性。

本实验通过测量正向电流和正向压降的关系，研究PN 结的正向特性。

由可调微电流源输出一个稳定的正向电流，测量不同温度下的PN 结正向电压值，以此分析PN 结正向压降的温度特性、测量玻尔兹曼常数，估算半导体材料的禁带宽度，以及估算通常难以直接测量的极微小的PN 结反向饱和电流。

【实验目的】1．在恒定温度条件下，测量正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线。

2．在恒定电流条件下，测绘PN 结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN 结材料的禁带宽度。

3．学习指数函数的曲线回归的方法，并计算出玻尔兹曼常数，估算反向饱和电流。

4．探究：用给定的PN 结测量未知温度。

【实验原理】（一）PN 结的正向特性由半导体物理学可知,理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下关系： [exp(1]F F qV I Is kT =-式中I F 是通过PN 结的正向电流，I s 是反向饱和电流（在温度恒定时为常数），T 是热力学温度，q 是电子的电荷量，V F 为PN 结正向压降。

由于在常温(300K)时，kT /q ≈0.026V,而PN 结正向压降约为十分之几伏，则>>1,因此括号内-1项完exp(F qV kT 全可以忽略，于是有：（1）exp()F F qV I Is kT =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：（2）(0)F g n T n F k C V V In T V V V q I ⎛⎫=-+=+ ⎪⎝⎭其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数；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，V n 是与温度有关的非线性项。

PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究随着半导体元件的不断发展，越来越多的应用场景需要对PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性有更深入的了解。

本文将通过理论分析和实验验证的方式，对这两个特性进行详细研究。

首先，我们来看PN结正向压降温度特性。

PN结的正向压降是指在正向偏置的情况下，PN结两端的电压降。

正向压降与PN结内的载流子浓度有关，载流子浓度越高，正向压降越小。

同时，温度的变化也会对正向压降产生影响。

一般来说，正向压降随着温度的升高而减小。

这是因为在高温下，载流子浓度会增加，使得PN结内电场的分布变得更加均匀，从而减小了正向压降。

但是，在非常高的温度下，由于载流子的热激发效应，反向偏置电压也会增加，进而导致正向压降的增加。

因此，在设计半导体元件时需要考虑温度对正向压降的影响。

其次，我们来看PN结的正向伏安特性。

正向伏安特性描述了PN结在正向偏置下的电流与电压之间的关系。

根据欧姆定律，正向电流与正向电压成正比，即I = Is * (exp(qV / (nkT)) - 1)，其中I为正向电流，V 为正向电压，Is为逆饱和电流，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，n为器件的非理想因子。

从这个公式可以看出，正向电流与温度成正比，也就是说，随着温度的升高，正向电流也会增加。

这是因为在高温下，载流子的热激发效应增强，使得正向电流增大。

但是，需要注意的是，当温度达到一定值时，PN结可能会因为过热而损坏。

为了验证以上理论分析，我们进行了实验研究。

首先，我们搭建了一个实验平台，用来测试PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性。

实验中，我们分别采用了不同的温度和正向偏置电压，测量了PN结两端的电压和电流。

实验结果与理论分析基本吻合，验证了我们的理论模型的准确性。

综上所述，PN结的正向压降温度特性和正向伏安特性对于半导体元件的设计和使用非常重要。

了解这两个特性的变化规律可以帮助我们选择合适的工作温度和正向偏置电压，以确保半导体元件的正常工作。

实验 pn 结正向压降温度特性研究【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、在恒定正向电流下,测绘pn 结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度.3、学习用pn 结测温的方法.【实验仪器】1、DH-PN-1型pn 结正向压降温度特性实验仪【实验原理】1、pn 结在一块完整的硅或锗上用不同的工艺掺入杂质,使得其一半成为P 型半导体,而另一半成为N 型半导体,那么,在这两种半导体的交界处就会形成pn 结.在P 型与N 型半导体结合后,由于P 型半导体具有较高浓度的空穴,而N 型半导体具有较高浓度的自由电子,在他们交界处的两边就出现了电子与空穴的浓度差别.从而,电子与空穴都要朝着较低浓度的方向扩散.这种扩散作用,使得在P 、N 交界处之间形成了具有一定大小的扩散电流.另一方面,由于P 型半导体中空穴的流失,使得P 型半导体中留下了一定量带负电的离子;而N 型半导体中由于电子的流失,使得其中留下了一定量的正离子.由于正负电荷之间的相互作用,使得在交界薄膜中形成了从N 型半导体指向P 型半导体的空间电场.而空间电场的形成使得一部分的空穴与电子沿与扩散相反的方向运动,形成漂移电流.空穴与自由电子的扩散使得空间电场增强,而空间电场的增强却又抑制空穴与电子的扩散,从而,在一段时间之后,扩散电流将与漂移电流达到动态平衡.而在P 型与N 型半导体的两侧则会留下不能自由移动的离子薄层,而这个离子薄层在P 、N 半导体交界面附近所构成的过渡区（空间电荷区）, 图1 PN 结 即称为pn 结.2、pn 结的正向压降温度特性根据pn 结理论, pn 结的伏安特性可表达如下:01F qU kT F I I e ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（1-1）式中F I 为通过pn 结的正向电流, F U 为其正向电压, 0I 为反向饱和电流; q 为电子的电荷量, T 为绝对温度231.3810/k J K -=⨯是玻尔兹曼常量当正向电压0.1F U V >时, 3.9501FqU kTee ≈≈,故上式可近似为0FqU kTF I I e= （1-2）由式（1-2）得0ln ln FqU kTF I I e=⇒ 0ln ln F F qUI I kT =+又 0gqU kTI BT eγ-=⇒ ()ln ln F F g q I BT U U kT γ=+-ln F g F kT BT U U q I γ⎛⎫=- ⎪⎝⎭(1-3) 式（1-3）即为pn 结两端正向电压与其温度、通过电流之间的关系.其中, g U 为0K 时材料的导带底与价带顶间的电势差, B 是与温度无关的实验常数, T γ是与温度有关的函数项, γ为与热激发所引起的电子迁移率有关的系数.取F I 为一常数,则（1-3）式转化为通过pn 结的电压F U 与pn 结温度T 之间的关系. 对F U 取一阶导数,得ln FF dU k BT q I dTγγ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭ （1-4） FdU dT即代表了F U T -图线的斜率,由（1-4）可以看出, 斜率为负,F U 随温度T 的上升而下降. 对F U 取二阶导数,得22F d U k qT dTγ=- （1-5） 其中，231.3810k -=⨯、191.6010q -=⨯,取 3.4γ=,293.15T =得，262 1.0100F d U k qT dTγ-=-≈⨯→ 即, F U T -图线的斜率可近似认为一常数, F U T -可近似认为是一条直线. 根据（1-3）式ln ln ln F g g F F kT kT kT BT B U U U T q I q I q γγ⎛⎫=-=-- ⎪⎝⎭(1-6) 设,温度为1T 时,电势差为1U1111ln ln g FkT kT BU U T qI qγ=--又 ln ln g F F kTkT BU U T qI qγ-=+得 ()1111ln g g F T kT T U U U U Tq T γ⎛⎫=--- ⎪⎝⎭(1-7) 由上推导可知, F U 应与T 呈线性关系,故设()()11FF U U T U T T T ∂=+-∂()1()gFF U U k U T T T qγ-=---()()11gF F UU T k U T T Tq γ-=--- (1-8)令 ()()11111ln kT T k U U T U T T q q T γγ⎛⎫=-=--+⎪⎝⎭(1-9) 设300T K =、1310T K =，取 3.4γ=可得0.048U mV =,而相应的正向压降则改变了20mV ,差值约为417倍,相比之下,误差甚小.不过当温度变化过大之后F U T -图线的线性误差将有所递增.由于F U 与T 呈很好的线性相关性,故可利用F U 的细微变化来测量当前环境的温度.这也是温敏二极管测温的基本原理.【实验步骤】1、打开pn 结正向压降温度特性实验仪并调节加热电流值为零,记录起始温度.2、将“测量选择”开关调节到F I 档,调节F I 旋钮,使得面板上F I 的值为零.3、将“测量选择”开关调节到F U 档,记下初始时的F U 值.4、将“测量选择”开关调节到U ,调节调零旋钮,使得0U =.5、调节加热电流为0.500A ,并记录所对应的U 和T 值.当U 每改变10mV 时记录一次T 值.直到pn 结温度达到大约100℃为止.6、画出U T -图像,并求被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度()/S mV ℃. 8、估算被测pn 结材料的禁带宽度g g E qU =.9、实验结束,收拾仪器.注意事项1、加热装置的温升不应超过120℃,长期的过热使用,将造成接线老化,甚至脱焊.2、加热电流不应大于0.500A ,若长期使加热电流过大,会使得仪器未来的加热效率变低.3、使用完毕后即应切断电源,以避免长时间加热引起的安全事故.【实验数据整理】表一：-U T 测量数据/U mV0 -10 -20 其中,初始正向电压0667U mV =.【数据处理过程及结论】数据处理1、根据数据,画出U T -图像如下d e t UT通过线性拟合,得到 2.0337.75U T =-+,20.99995R =2、由 2.0337.75U T =-+得到被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度为： 2.03/S mV =-℃.3、被测pn 结材料的禁带宽度()0g g E qU q U S T ==-[667 2.03(18.2273.15)]q =+⨯+ 1.26eV ≈实验结论 1、通过本次实验,测得pn 结两端正向电压与其上的温度变化呈很好地线性关系.判断是因为温度升高导致P 、N 型半导体更容易激发出空穴与自由电子.加正向电压时,由于载流子浓度的上升,使得漂移作用更加明显,pn 结的导电能力增强.宏观上表现为pn 结的电阻降低,故在相同的正向电流F I 下,温度上升将导致pn 结的正向电压F U 下降.故以此推测:由于在温度过高的情况下, pn 结内载流子浓度的迅速增加（温度上升,使得空穴与自由电子的运动速度上升,在一定程度后,它们将有足够的能量撞击半导体分子,使得共价键被破坏,逸出更多的电子）,这将导致pn 结的正电压迅速下降,故原理中的线性推导在温度过高时将不在适用,则温敏二极管不能准确测量较高的温度.2、通过本次实验,测得待测pn 结正向压降随温度的变化关系具体可表示为2.0337.75U T =-+其正向电压随温度变化的灵敏度 2.03/S mV =-℃.3、通过本次实验测得被测pn 结材料的禁带宽度 1.26g E eV ≈.。