PN结伏安特性的测量

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评卷人：

研究生《电子技术综合实验》课程报告

题 目：PN 结太阳能电池光生伏特效应光谱特性

及太阳能电池综合参数测试

学

号

姓

名

专

业

指 导 教 师

院（系、所）

年 月 日 一、 实验内容：

测量电池光生伏特效应的光谱特性并分析影响光伏效应的种种因素。测试AM1.5、稍小光强下的自制电池的I-V特性以及暗特性；完成实验并计算6个重要参数；并分析讨论实验现象。

二、 实验仪器：

分光光度计7520型、恒温样品台、I-V测试仪、函数记录仪

三、 太阳能电池材料及结构：

1. 太阳能电池材料种类

太阳电池的材料种类繁多，可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa（1-x）Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料等。

第一代太阳能电池发展最长久，技术也最成熟。种类可分为单晶硅（Monocrystalline

Silicon）、多晶硅（Polycrystalline Silicon）、非晶硅（Amorphous Silicon）。以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗，也因应不同设计的需求需要用到不同材料（例：对光波长的吸收、成本、面积......等等）。第二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池，种类可分为碲化镉（Cadmium Telluride CdTe）、铜铟硒化物（Copper Indium Selenide CIS）、铜铟镓硒化物（Copper

Indium Gallium Selenide CIGS）、砷化镓。第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。第四代则针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。某种电池制造技术，并非仅能制造一种类型的电池，例如在多晶硅制程，既可制造出硅晶版类型，也可以制造薄膜类型。

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IS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Is

（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I0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。两边取对数得 ，其中𝛄lnT随温度T的变

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，

实验3电路元件特性曲线的伏安测量法

实验3 电路元件特性曲线的伏安测量法

⼀、实验⽬的1.了解⾮线性元件的伏安特性；

2.学习⾮线性元件伏安特性的测试⽅法；

3.掌握绘制曲线的⽅法。 ⼆、实验原理

1.了解晶体⼆极管和稳压⼆极管的伏安特性曲线。

2.晶体⼆极管是由⼀个PN 结，加相应的电极引线和管壳封装⽽成，了解⼆极管的死区、门限电压、导通电压、击穿电压和反向电流，根据其来确定实验时电压的数据范围。⼆极管正向电阻和反向电阻区别很⼤，电阻值随着流过电流的⼤⼩⽽变化，伏安特性曲线不对称于坐标原点，具有单向导向性。3.稳压⼆极管利⽤反向击穿特性，稳压范围从1v 到⼏百伏。了解稳压⼆极管的主要参数，稳定电压、最⼤允许耗散功率（超过此功率稳压⼆极管会因过热⽽烧坏）、最⼤稳定电流和最⼩稳定电流（反向击穿区起始电流）。稳压⼆极管的正向伏安特性类似于普通晶体⼆极管，反向伏安特性则不同。稳定电压⼀般为-5V ，电流突增，端电压维持恒定。4.了解曲线绘制的知识。 三、主要仪器设备

元器件板、直流电源、直流电压表、电流表、数字万⽤表 四、操作⽅法和实验步骤1.按照接线图连好各元器件（先将⼆极管正向连接），将电阻箱电阻调到零时，按要求调节电压并记录⼀系列数据，再将⼆极管⽅向连接，按要求调节记录数据。2.调节电阻箱电阻，按步骤⼀测量。

3.再测量稳压⼆极管，将稳压⼆极管代替⼆极管，再按照步骤⼀测量正反向。

4.将稳压源⽤恒流源代替，再做步骤三。 4.将数据⽤计算机软件绘制成曲线图。 五、实验数据记录和处理

1.逐点伏安测量法的接线图：

装 订 线

2.数据记录和曲线图

表7-3-1 逐点伏安测量法在恒压源下的测量数据（晶体⼆极管）电阻为不为零

表7-3-3 逐点伏安测量法在恒压源下的测量数据（稳压⼆极管）电阻不为零

晶体⼆极管在两种情况下的伏安特性曲线：

稳压⼆极管的伏安特性曲线：

表7-3-4 逐点伏安测量法在恒流源下的测量数据（稳压⼆极管）

以上数据说明⽤电流源也是可以测得稳压管伏安特性数据的，且数据与电压源测得的接近。