实验报告半导体PN结的物理特性及弱电流测量

天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律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-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (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 。

在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。

其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。

运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。

因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f f x s U R R Z I K K ==≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。

.::PN结物理特性的测量::.图一PN结物理特性的测量实验装置全图伏安特性是PN结的基本特性，测量PN结的扩散电流与PN结电压之间的关系，可以验证它们遵守波尔兹曼分布，并进而求出波尔兹曼常数的值．PN结的扩散电流很小，为10-6～10-8 A数量级，所以在测量PN结扩散电流的过程中，运用了弱电流测量技术，即用运算放大器对电流进行电流-电压变换。

图二PN结形成示意图.::实验预习::.1. LF356运算放大器介绍利用LF356运算放大器可以组成电流-电压变换器，如图1所示．LF356运算放大器是一个集成运算放大器，Rf为反馈电阻，若Rf → ∞时，输出电压U0与输入电压Ui的比值叫做运算放大器的开环增益K0．运算放大器的输入阻抗r很大，理想情况下r → ∞，可以认为反馈电流等于信号源的输入电流Is．Zr为电流—电压变换器的等效输入阻抗，因为反馈电流等于信号源的输入电流Is，输入电流Is可以写为【实验内容】实验线路图如图1所示．在常温和零温（冰水混合物）下测量硅三极管发射极与基极之间的电压U1和相应的LF356输出电压U2 ．通过调节100可调电位器改变U1的值，尽量在线性区域多测量数据点．根据公式（7）拟合求波尔兹曼常数k B．.::实验仪器::.【实验仪器】±15V 直流稳压电源，TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器，四位半数字万用表，电阻，电容，电位器，导线，实验接线板等．TIP31型硅三极管，LF356集成运算放大器的管脚如图2所示．图3.::思考题::.【思考题】1．得到的数据一部分在线性区，一部分不在线性区，为什么？拟合时应如何注意取舍？数据不在线性区有两种情况：1.u1较小时，2.u1较大时1）.u1较小时，公式不满足2）.u1较大时，p-n结所通过的电流虽可增加，但放大器的输出电压达到饱和。

2．减小反馈电阻的代价是什么？对实验结果有影响吗？反馈电阻减小使输出电压减小，在一定范围瑞影响不大.::参考资料::.有关PN结的介绍纯净的半导体称为本征半导体，为研究半导体的性质，必须对其掺杂形成P型半导体和N型半导体（掺杂的浓度可以达到1017个/cm3）。

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。

天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律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-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (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 。

在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。

其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。

运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。

因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f f x s U R R Z I K K ==≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。

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U 与热力学温度beT 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一电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。

4、测量PN 结结电压U be 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 W026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则eeu/KT >>1,（1）式括号内-1项完全可关系满足：LeU/KT11(1)u 0=-K 0u i (3)以忽略，于是有：IIe eU/KT (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 。

半导体PN 结的物理特性测量实验目的（1） 了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法。

（2） 测量PN 结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数。

实验仪器PN 结物理特性实验仪实验原理1．PN 结介于导体与绝缘体之间的物质叫半导体，在半导体中只有一种载流子导电，只有电子（负电荷）导电的半导体叫N 型半导体，只有空穴（正电荷）导电的半导体叫P 型半导体。

以一定的工艺制成的P 型半导体和N 型半导体相邻的交接处，由于自由扩散形成的结叫PN 结。

三极管制造工艺的特点：发射极高掺杂浓度；基极很薄几微米到十几微米，减小复合电流；集电极低掺杂浓度，面积较大，有利于接收电子。

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

2．PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系：0qUkTS I I e= （1）公式（1）中0I 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。

本实验用常规方法测量时，当PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。

3. 弱电流测量实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，加在三极管B 、E 间的电压1U 则通过的电流为e I ，三极管电流分布满足eb c I I I =+，又因为b I 很小，所以e c I I ≈；LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流－电压变换器，把c I 放大成2U ，且它们之间满足线性关系，因此可以说1U 与2U 之间满足指数函数关系，那么1U 与流过PN 结的电流e I 也满足指数关系。

其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流，r Z 为电路的等效输入阻抗，f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放大器的输出电压为：00i U K U =- （2） 由于运放输入阻抗i r 为无限大，反馈电阻f R 流过的电流近似为S I ，00001()(1)i S f ffU U U I U R R R K -==-+≈-（3）只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得S I ，将上式代入0qU kTS I I e=可得：102qU kTU U Ae== （4）图2 电流－电压变换器实验内容（1）按图联接线路，调节电压1U ，取值在0.3V －0.5V 范围内，依次记下电压1U 和2U 的数值。

半导体pn结的物理特性及弱电流测量半导体 PN 结的物理特性：1. 堆积区与耗尽区：在 PN 结中，PN 结两侧有一个堆积区和一个耗尽区。

堆积区是在 PN 接触处的一侧，其中 N 区的自由电子会向 P 区扩散，而 P 区的空穴会向 N 区扩散。

耗尽区是在堆积区的另一侧，其中电子和空穴被扩散后形成的正负离子互相吸引，形成一个没有可自由移动电荷的区域。

2. 正向偏置：当在 PN 结上施加正向电压时，电子从 N 区向 P 区移动，空穴从 P 区向 N 区移动，导致堆积区的宽度变窄。

此时电流从 P 区流向 N 区，称为正向电流。

3. 反向偏置：当在 PN 结上施加反向电压时，电子被吸引进 N 区，空穴被吸引进 P 区，导致堆积区的宽度增加。

这时几乎没有电流通过 PN 结，称为反向电流。

当反向电压过大时，会发生击穿现象，此时电流急剧增加。

4. PN 结的导电特性：在正向偏置下，PN 结导电特性近似于理想二极管，正向电流随着正向电压的增加呈指数型增长。

在反向偏置下，PN 结导电特性近似于理想断路器，基本没有电流通过。

弱电流测量：弱电流测量是指对非常小的电流进行测量。

由于电流非常微弱，存在一些测量上的困难和限制。

常见的弱电流测量方法有以下几种：1. 电流放大：由于弱电流不能直接测量，通常需要将其放大到可以测量的范围。

放大器可以选择放大电流，提高信号的幅度。

2. 高阻抗电路：在测量弱电流时，需要使用高阻抗电路，以最大程度地减小电流的流失。

高阻抗电路可以降低电流流过测量电路时的电压降，从而减小电流的误差。

3. 屏蔽环境干扰：由于弱电流非常微弱，容易受到环境中的电磁干扰影响。

屏蔽环境干扰可以采取一些措施，例如使用屏蔽罩、信号隔离等，减小干扰对弱电流测量结果的影响。

4. 温度控制：温度的变化也会对弱电流测量产生影响。

通常需要对测量环境进行温度控制，确保测量的稳定性和准确性。

需要注意的是，弱电流测量需要仪器设备的高灵敏度和高精度，同时也需要严密的实验条件和精确的操作技巧。

半导体PN结的物理特性及弱电流的测量［摘要］本文利用PN 结正向压降温度特性测试仪，测量了PN 结电压电流特性。

验证了PN 结电压与电流的指数关系，并利用Excel 进行曲线拟合，再计算出玻尔兹曼常数，用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流［关键词］PN结玻尔兹曼常数指数拟合弱电流测量1.引言基本物理常数如电子电量e、电子荷质比e/m、普朗克常数物理h、光速c 等的测量，在实验物理发展过程中具有重要地位。

利用PN 结正向压降温度特性测试仪测试出PN 结正向压降与电流，再进行数据拟合并计算出玻尔兹曼常数K，用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流2.实验仪器FD-PN-4型PN结物理特性测定仪3.实验原理1. 在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。

PN结有同质结和异质结两种。

用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。

制造异质结通常采用外延生长法。

基本特性在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。

在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质（离子）是固定不动的。

N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。

当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P 型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。

空穴和电子相遇而复合，载流子消失。

因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区（图1）。

P型半导体一边的空间电荷是负离子,N 型半导体一边的空间电荷是正离子。

正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。

PN结在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。

pn结特性实验报告PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型两种半导体材料组成。

通过合理的掺杂工艺，P型材料中掺入三价掺杂剂，N型材料中掺入五价掺杂剂，使得PN结具有独特的电学特性和器件功能。

而本次实验旨在研究PN结的特性，并通过实验数据验证PN结的一些基本特性。

实验步骤如下：1. 准备实验器材与元件：我们需要准备的实验器材包括电流源、电压源、台式电压表、数字万用表和示波器等。

而元件方面，可选择硅（Si）或锗（Ge）为半导体材料，并分别制备P型和N型材料单晶体。

2. 制备PN结：首先，将P型和N型材料片分别放入刻有浅浩深度的腐蚀液中进行腐蚀，以去除表面的氧化层。

然后，分别用净化液进行洗涤，使片面维持清洁无杂质状态。

接下来，将两片材料通过高温扩散或涂覆方式粘接在一起，形成PN结结构。

3. 测量I-V特性曲线：使用电流源和电压源连接到PN结，依次改变电流和电压的大小，测量不同电压下的电流值。

将实验得到的I-V数据记录下来，并绘制出I-V特性曲线。

4. 测量C-V特性曲线：切换到电容模式，依然使用电压源和电流源连接到PN结，逐渐增加电压的大小，并测量得到不同电压下的电容值。

将实验得到的C-V数据记录下来，并绘制出C-V特性曲线。

实验结果与数据分析：从实验数据可以得知，PN结的I-V特性曲线通常呈现出非线性的特点。

在低于开启电压的情况下，PN结的电流非常微弱，近似于零电流。

一旦开启电压达到一定阈值，PN结将出现快速增加的电流。

而在反向电压下，PN结的电流保持较小的值。

通过对I-V曲线的分析，我们可以得知PN结的整流特性。

具体来说，当PN结正向偏置时，导通电流会迅速增加，这意味着PN结可以作为半导体整流器件使用。

而反向偏置时，可以发现PN结具有一定的阻断能力，可作为保护电路使用。

同时，C-V曲线也能提供有关PN结的一些信息。

当电压的振幅增加时，PN结的电容值将增大。

这是因为在高反向电压下，空穴和电子会被强烈地吸引到PN结中，从而增加了电容。

pn结物理特性实验报告PN结物理特性实验报告引言：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型半导体通过扩散形成。

PN结具有很多重要的物理特性，如整流、发光、放大等。

本实验旨在通过实际操作和测量，深入了解PN结的物理特性。

一、实验目的：1. 理解PN结的基本结构和形成原理；2. 掌握PN结的整流特性；3. 研究PN结的发光特性；4. 了解PN结的放大特性。

二、实验仪器和材料：1. PN结二极管；2. 直流电源；3. 示波器；4. 光敏二极管；5. 放大器。

三、实验步骤和结果：1. 整流特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，通过改变电压的正负极性，记录电流和电压之间的关系。

实验结果显示，当正向偏置时，电流呈指数增长；当反向偏置时，电流几乎为零，符合PN结的整流特性。

2. 发光特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，逐渐增加正向偏置电压，观察并记录发光现象。

实验结果表明，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线，这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。

3. 放大特性实验：将PN结二极管连接到放大器电路中，通过输入信号的变化，观察输出信号的变化。

实验结果表明，当输入信号的幅度较小时，输出信号经过放大后与输入信号相似；当输入信号的幅度较大时，输出信号会出现失真现象，这是由于PN 结的非线性特性导致的。

四、实验分析和讨论：1. 整流特性分析：PN结的整流特性使其在电子学中广泛应用于整流电路。

通过实验可以发现，当PN结处于正向偏置时，电流可以流动，符合正向导通的特点；而当PN结处于反向偏置时，电流几乎为零，符合反向截止的特点。

这种特性使得PN结二极管可以用于电源的整流。

2. 发光特性分析：PN结二极管的发光特性使其成为现代光电器件的重要组成部分。

通过实验可以发现，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线。

这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。

【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
一、实验目的
本实验的目的是要了解半导体PN结的物理特征，并通过相关实验来考察和测量PN结
的特性。

二、实验原理
PN结是半导体电子器件的最基本结构，由掺杂的德勒普及层组成，它们具有非常重要的物理和化学特性，被广泛用在微电子器件中。

它由半导体表面凹凸不平、绝缘体或金属
覆盖层、P型和N型掺杂层组成，当它处于正向偏置时，在P掺杂表面之间就会形成可以
用于传输电子的“及P全”，可以传输能量的“及N层”，成功实现一定电压后形成电流
流动，因而功能实现。

因此，熟悉和理解N插头所具有的物理特性，对于设计和制作微电
子器件有着重要的意义。

三、实验结果与分析
实验表明，本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据。

发现当电压由零改变时，当电压较低时，流过PN结的电流较小，对结的功耗也较低，但
随着电压的增加，电流和功耗也随之增大，这说明具有较强的正序特性，而电压超过一定
限值后，电流和功耗就不再增加，这说明其具有稳定的拐点，可以有效的控制PN结的特性。

四、结论
本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据，得出了相
应的结论：PN结具有较强的正序特性，具有稳定的拐点，可以有效控制其特性。

通过本次实验，我们不仅能够深入理解半导体PN结的物理特性，还可以更好地应用于微电子器件中。

天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律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-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (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 。

在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。

其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。

运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。

因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f fx s U R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。

半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。

2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。

3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。

实验原理PN 结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN 结的研究，可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足（1）式中I是通过PN 结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，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(300 K)下，KT/e =0,026 V，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则e eU/kT>>l，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有(2)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(2)式可以求出e/kT. 在测得温度T 后，就可以得到e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。

在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1 、直流电源和数字电压表，包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）实验内容一、必做部分：1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。

弱电流测量及pn节物理特性的研究【实验目的】1.学习用运算放大器组成电流——电压变换测量器微弱电流2.测量pn节正面电流和正向电压的关系3.学习求经验公式的方法【实验仪器】pn节物理特性测量仪【实验原理】(1).pn结物理特性及波尔兹曼常量的测量：电流——电压关系满足：I=I[exp(eU/kT)]因为exp(eU/kT)>>1，所以I=Iexp(eU/kT)。

若测得pn节I—U关系，利用I=Iexp(eU/kT)，求出e/kT。

在测得温度Ｔ后，就可以测到e/k常数，代入电子荷，可求得k。

(2).弱电流的测量：运算放大器的输出电压U0为U=-kUi，Ui为输入电压，k为运算放大器的开环电压增益。

I s =(Ui-U)/Rf=Ui(1+K)/Rf，电流电压变换器的等效输入阻抗Zr为：Z r =Ui/Is=Rf/(1+K)≈Rf/K(3).求经验公式的方法：U 2=a 1U 1+b 1，U 2=a 2U b21，U 2=a 3exp(b 3U 1) 【实验步骤】 ①连接电路②接好三极管，注意各管脚的位置不要接错③从U 2约为0.01V 左右开始测量，U 1每次增加0.010V ，记U 1和相应 U 2，直到U 2饱和④用计算机进行最小二乘拟合(a)假定U 2=a 1U 1+b 1，利用U 2和U 1作变量进行拟合(b)假定U 2=a 2U b21，即lnU 2=lna 2+b 2lnU 1；利用lnU 2和lnU 1进行变量拟合(c)假定U 2=a 3exp(b 3U 1)，即lnU 2=lna 3+b 3U 1，用lnU 2和lnU 1进行拟合 γ值越大，假定越合理。

【数据记录与处理】 （1）数据表格 t=0°T=t+273.15= K次数i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 U 1/V U 2/V ln(U 2/V)（2）计算a 1=b 1= γ1= s 1= a 2= b 2= γ2= s 2= a 3= b 3= γ3= s 3=γ为相关系数，s为标准差。

pn结物理特性实验报告PN结物理特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型半导体材料的结合而成。

PN结具有许多重要的物理特性，如整流、放大、开关等，对于电子学领域的发展具有重要意义。

本实验旨在通过实际操作和数据测量，深入了解PN 结的物理特性。

实验目的：1. 理解PN结的基本原理和结构特点；2. 掌握PN结的正向和反向特性；3. 通过实验测量，探究PN结的电压-电流关系；4. 分析PN结的整流特性以及其在电路中的应用。

实验仪器和材料：1. PN结二极管2. 直流电源3. 电压表4. 电流表5. 电阻箱6. 连接线实验步骤：1. 将PN结二极管连接到直流电源的正负极，并将电压表和电流表连接到二极管的正向和反向端口；2. 通过调节电源的电压，测量PN结在不同电压下的正向电流和反向电流；3. 记录实验数据，并绘制出PN结的电压-电流特性曲线；4. 利用电阻箱连接到PN结电路中，观察PN结的整流特性，并记录实验现象。

实验结果与分析：在实验过程中，我们测量了PN结在不同电压下的正向电流和反向电流，并绘制了电压-电流特性曲线。

实验结果显示，当电压为正向时，PN结的电流呈指数增长的趋势，而当电压为反向时，PN结的电流几乎为零。

通过分析实验数据，我们可以得出以下结论：1. PN结的正向电流与电压成指数关系，符合热激发理论；2. PN结的反向电流非常小，可以近似看作是零；3. PN结具有较高的整流特性，可以用作电路中的整流器件。

结论：通过本次实验，我们深入了解了PN结的物理特性。

PN结作为半导体器件中最基本的结构之一，具有重要的应用价值。

通过测量和分析，我们发现PN结的正向电流与电压呈指数关系，反向电流非常小。

此外，PN结还具有较高的整流特性，可以在电路中充当整流器件。

通过实验，我们不仅加深了对PN结物理特性的理解，还掌握了实验测量的方法和技巧。

这对于今后深入研究半导体器件和电子学领域具有重要意义。