PN结伏安特性

双极性器件物理 Physics of Semiconductor Devices
eV eV I D A J s exp( a ) 1 I s exp( a ) 1 kT kT
其中 I D 为二极管电流， I s 为二极管反向饱和电流。 (2) 线性坐标和对数坐标中的 I-V 特性
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第五讲 理想 pn 结直流伏安特性
一． 理想 pn 结模型 1. 理想 pn 结模型近似条件 1) 耗尽层近似：空间电荷区的边界存在突变，并且耗尽区以外的半导体区域 是电中性的。耗尽层不存在多余的离散离子； 2) 载流子的统计分布采用波尔兹曼分布近似； 3) 小注入假设 Low-level injection：即注入的少数载流子浓度小于多数载流子 浓度，掺杂都离化； 4) 在耗尽层内不存在产生-复合电流，并且在整个耗尽层内，电子电流和空穴 电流恒定：PN 结内的电流处处相等；PN 结内的电子电流与空穴电流分别为连 续函数；耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值； 2. 近似条件(2)（玻尔兹曼分布）的应用： 外加偏执电压下势垒区边界处载流子浓度： (1) 平衡时边界处载流子浓度 上一章的式(7.10)给出了内建电势差的表达式，即
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b.
小注入
多子浓度等于热平衡时的浓度 c. 稳态工作：
n p pn 0, 0 t t
d. 空间电荷区外电中性，无电场
E 0
e.
不考虑其他因素对载流子的影响
g pn 0 g n p 0
在上述假设条件下，基本方程化简为：
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PN 结的伏安特性与温度特性测量半导体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beU 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。

6、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。

【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。

【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：[]1/0-=KTeU eI 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KTeU e/>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：KTeU 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 。

pn结伏安特性实验报告模版[pn结伏安特性实验报告模版]实验名称：pn结伏安特性实验课程名：电子学实验实验时间：[实验时间]实验目的：1. 理解pn结的基本原理和特性。

2. 掌握使用电压源测量pn结的伏安特性曲线。

实验器材：1. 精密电阻箱2. 直流电压源3. 直流电流表4. 毫伏表5. 多用途示波器6. pn结二极管实验原理：pn结是由n型半导体和p型半导体直接接触而形成的结，以此结为基础构成的二极管叫做pn结二极管。

pn结二极管是半导体器件中应用最广泛的一种。

在不同电压条件下，pn结具有不同的特性。

通过测量pn结的伏安特性曲线，可以了解它在不同电压和电流条件下的工作状况。

实验步骤：1. 准备实验器材，并将示波器的正负输入端接到电流表的正负极上。

2. 将电压源的正极与pn结的p区连接，负极与n区连接。

3. 将电阻箱调节到适当的电阻值，使电流表示数在1mA左右。

4. 通过改变电压源输出电压，记录电流表和毫伏表的示数。

5. 用多用途示波器将该直流电压源输出的电压与电流的对应关系进行记录。

实验结果：-| 输入电压V | 电流表示数I | 毫伏表示数V--|----------|-------------|-----------1 | 0.5V | 0.1mA | 0.3mV2 | 1.0V | 0.2mA | 0.6mV3 | 1.5V | 0.3mA | 0.9mV4 | 2.0V | 0.4mA | 1.2mV5 | 2.5V | 0.5mA | 1.5mV数据分析：根据实验结果可以得到pn结的伏安特性曲线。

从数据中可以观察到，随着输入电压的增加，电流也呈线性增加的趋势。

同时，随着电流的增加，毫伏表的示数也逐渐增加。

这说明在正向偏置的情况下，pn结二极管的导电能力增强。

实验结论：根据实验结果，可以得出以下结论：1. pn结二极管在不同电压条件下的导电能力不同，呈现出伏安特性曲线。

2. 在正向偏置的情况下，pn结二极管的导电能力增强。

PN结的伏安特性与温度特性测量半导体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U与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并电桥，测量PN结结电压be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I-V变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。

U与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。

4、测量PN结结电压be5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。

6、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。

【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。

【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：[]1/0-=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)式可以求出e /kT 。