实验十三PN结特性的研究和应用

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。

PN结的特性研究摘要：形成PN结的最普遍方法是杂质扩散。

PN结内部由于交界面处存在载流子浓度的差异，导致电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

扩散形成内建电场从而阻止扩散使PN结内部载流子运动达到动态平衡。

PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。

PN结在正偏电压情况下，势垒高度减少，使空穴和电子更容易穿越耗尽层从而形成电流。

而当PN结上加的反向电压时，势垒高度增加，阻碍了载流子向对方扩散，因此，通过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。

所以PN结具有单向导电性，又称整流特性。

但是当反向偏压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。

反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

PN结是许多微电子和光电子器件的核心部分。

这些半导体器件的电学特性及光电特性由PN结的性质所决定，而这些器件在辐射环境下将出现辐射损伤导致性能退化，其根本原因是辐射在PN结内引入缺陷。

PN结电压随温度变化十分灵敏，电压随温度线性的减少。

这一特性被用来精确测温和控温。

关键字：PN结、少数载流子、电容效应、辐射效应、温度特性、击穿特性1 引言在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。

当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。

Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。

这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。

在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。

pn结正向特性的研究和应用实验原理1. 引言本文将介绍pn结的正向特性，以及研究和应用实验的原理。

pn结是半导体器件中最基本的组成部分之一，其正向特性的研究和应用对于理解和设计各种电子器件都具有重要意义。

2. pn结的正向特性pn结是由一种p型半导体和一种n型半导体相接触而形成的结构。

当施加正向电压时，电流从p区域流向n区域，这种现象称为pn结的正向特性。

3. pn结正向特性的研究方法为了研究pn结的正向特性，可以采用以下实验方法：3.1 IV特性曲线测量IV特性曲线测量是研究pn结正向特性最基本的方法之一。

通过施加不同的正向电压，测量pn结上的电流，并绘制电流与电压之间的关系曲线。

3.2 温度依赖性的研究由于温度对半导体材料的导电性能有很大影响，研究pn结正向特性的温度依赖性也是重要的。

可以通过改变温度，测量不同温度下pn结的IV特性曲线，并分析电流与温度之间的关系。

3.3 吸光度测量吸光度测量可以用来研究pn结在正向偏置下的光学特性。

通过测量不同波长光线通过pn结后的吸收情况，可以了解pn结在正向偏置下的光学特性和能带结构。

4. pn结正向特性的应用实验原理pn结的正向特性不仅对于基础研究有重要意义，也广泛应用于各种电子器件中。

以下是几个常见的应用实验原理：4.1 pn结二极管的开关特性pn结二极管是最常见的电子器件之一，其开关特性是基于正向特性的。

通过控制正向偏置电压，可以实现开和关的切换，这种特性被广泛应用于电子电路中。

4.2 pn结太阳能电池pn结太阳能电池是利用pn结的光电转换原理来将太阳能转化为电能的器件。

当太阳光照射到pn结上时，光子激发了电子-空穴对，产生电流。

这种原理被应用于太阳能电池中。

4.3 pn结光电探测器pn结光电探测器是基于pn结正向特性的光电转换器件。

当光线照射到pn结上，激发了电子-空穴对，产生电流。

这种原理被应用于光电探测器中，用于检测光信号。

5. 结论本文介绍了pn结的正向特性的研究和应用实验原理。

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。

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。

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结正向电压温度特性研究五、实验内容与步骤1．测量PN 结正向伏安特性曲线。

由式（4）可以看出，在温度不变的条件下，PN 结的正向电流IF与电压VF呈指数曲线关系，本实验要求绘出室温和t=40℃两条PN 结伏安曲线。

用坐标纸绘出相应曲线。

2．测量恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。

本实验要求测出IF=50μA 条件下PN 结正向电压随温度变化曲线。

实验中每隔5℃测一个数据，直至加热到85℃。

要先记下室温时PN 结的电压V F值。

用坐标纸绘出相应曲线。

3．确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。

（1）以t 作横出坐标，V F作纵坐标，作t-VF曲线。

正确地采用两点式求斜律的方法，计算PN结温度传感器的灵敏度S六、实验数据与处理1、PN 结正向伏安特性曲线表一：注I=50μA时，U=483mV电压/V0.250.2750.30.3250.350.3750.40.4250.45室温电流/μA0.50.9 1.63 5.49.315.223.133.3 40度电流/μA 1.6 2.8 4.98.213.320.830.241.153.9绘制成曲线如下系列2为40度时的伏安特性曲线，系列一为室温（25.1度）时的伏安特性曲线由计算机进行拟合可知，I-U满足指数关系的可信度很高。

2、恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系曲线。

表二注：I=50μA 室温25.1℃时U=483mV温度/℃40455055606570758085电压/mV443415406391373356344334319308计算机绘图如下：曲线拟合得U=-2.9t+551.1（mV）,相关系数R2=0.9902，可信度很高即灵敏度S=2.9mV/℃计算得V F(t0)=478.3mV由可以算出禁带宽度Eg（t0）=1.34eV与理论值1.21eV的相对误差为（1.34-1.21）/1.21*100%=11%七、误差分析1、测量U-T曲线时，升温过快导致调节电流不及时；2、温度计示数有一定延迟。