复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告

第1篇一、实验背景随着科技的飞速发展，半导体材料在电子、光电子和微电子等领域扮演着至关重要的角色。

半导体物理作为研究半导体材料基本性质和器件原理的学科，对于理解和设计新型半导体器件具有重要意义。

本实验旨在通过一系列实践操作，加深对半导体物理基本概念的理解，并掌握相关实验技能。

二、实验目的1. 理解半导体材料的能带结构及其与载流子浓度的关系。

2. 掌握半导体物理实验的基本操作和数据处理方法。

3. 通过实验验证半导体物理的基本理论。

4. 培养学生的科学实验能力和团队合作精神。

三、实验原理1. 能带结构：半导体材料的能带结构是其基本性质之一。

本实验通过测量半导体的导电性，分析其能带结构，并探讨载流子浓度与温度的关系。

2. 载流子浓度：载流子浓度是描述半导体导电性的重要参数。

本实验通过测量不同温度下的载流子浓度，分析其与温度的关系。

3. PN结：PN结是半导体器件中最基本的结构之一。

本实验通过测量PN结的正向和反向电流，分析其特性。

四、实验器材与步骤1. 实验器材：- 半导体样品（如硅、锗等）- 数字万用表- 温度控制器- 电源- 接地线- 连接线2. 实验步骤：（1）将半导体样品连接到数字万用表上，设置测量模式为电阻测量。

（2）逐渐改变温度，记录不同温度下的电阻值。

（3）绘制电阻-温度曲线，分析半导体材料的能带结构。

（4）通过公式计算载流子浓度，分析其与温度的关系。

（5）搭建PN结电路，测量正向和反向电流。

（6）分析PN结的特性，如正向导通和反向截止等。

五、实验结果与分析1. 能带结构分析：通过实验测得的电阻-温度曲线，可以观察到半导体材料的电阻随温度的升高而减小。

这表明半导体材料的能带结构在温度升高时发生变化，载流子浓度增加。

2. 载流子浓度分析：根据实验数据，通过公式计算得出载流子浓度随温度的升高而增加。

这符合半导体物理理论，即温度升高，电子和空穴的激发能量增加，导致载流子浓度增加。

3. PN结特性分析：通过测量PN结的正向和反向电流，观察到PN结在正向偏置时导通，反向偏置时截止。

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。

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。

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。

pn结特性实验报告PN结是P型和N型半导体材料接触而形成的结，是半导体器件中最基本的一种结构之一。

PN结的特性非常重要，对于理解和应用半导体器件非常关键。

本实验主要通过测量PN结的伏安特性曲线，研究PN结的整流作用和反向击穿特性。

实验仪器包括PN结二极管、直流电压源、直流电流表、电阻箱等。

首先按照电路图连接好实验电路，然后将直流电压源的电压调节到0V，将直流电流表改为电压测量模式，并设置合适的量程。

然后逐步增加直流电压源的电压，并记录PN结的电压和电流值。

在改变电压的同时，可以观察PN结上是否有发光现象，以及发光强度的变化。

实验结果显示，当外加电压为正向时，即P端连接正电压，N端连接负电压，PN结的电流非常小，大约在10^-6量级以下。

这是因为PN结的整流作用，电子由N端向P端流动，而空穴由P端向N端流动，形成了电流。

此时PN结处于正向偏置状态。

而当外加电压为反向时，即P端连接负电压，N端连接正电压，PN结的电流非常大，大约在10^-3量级以上。

这是因为反向击穿现象的发生，电子和空穴在PN结处以较高的速度相遇复合，形成漫射电流。

此时PN结处于反向偏置状态。

需要注意的是，过高的反向电压会导致PN结的击穿，从而破坏PN结。

实验中还观察到了PN结的发光现象。

在正向偏置状态下，电流随着电压的增加而增加，当电压达到正向击穿电压时，PN结开始发光，并逐渐增强。

这是因为PN结发生辐射复合，使得能量得以转移为光子。

发光强度与电流强度成正比。

通过本次实验，我深入了解了PN结的特性。

PN结不仅可以实现整流作用，还可以实现发光效果。

在实际应用中，PN结被广泛应用于半导体器件中，比如二极管、LED和激光器等。