实验十三 PN结特性的研究和应用

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1、12级电科专业《专业实验》安排表（2015下半年）内容班级太阳能电池特性研究黄瑞强PN结特性叶会亮导热系数罗飞二阶电路邹文强电源特性邹文强声光电路黄瑞强数字万用表刘燕勇光电传感器刘志勇电科12112周32028周310111周32059周310316周310315周320713周320510周3303电科12213周32029周310112周32058周310315周310316周320714周320511周3303说明：14周3（上课时间为第14周星期3；上课地点为物理实验室103教室。）103每一时间段实验为4学时，下午上课时间：14:30-17:30每次实验上课前需认真

2、预习相关实验内容并写好预习报告每位学生准备8张16开实验报告纸，8张32开原始记录纸。讲义份数：导热系数？份,电源特性？份,声光电路？份。所开设实验的房间管理由各位老师自己承担。理学院物理实验室2015.09.06实验十三PN结特性的研究和应用PN结作为最基本的核心半导体器件，得到了广泛的应用，构成了整个半导体产业的基础。在常见的电路中，可作为整流管、稳压管；在传感器方面，可以作为温度传感器、发光二极管、光敏二极管等等。所以，研究和掌握PN结的特性具有非常重要的意义。PN结具有单向导电性，这是PN结最基本的特性。本实验通过测量正向电流和正向压降的关系，研究PN结的正向特性：由

3、可调微电流源输出一个稳定的正向电流，测量不同温度下的PN结正向电压值，以此来分析PN结正向压降的温度特性。通过这个实验可以测量出玻尔兹曼常数，估算半导体材料的禁带宽度，以及估算通常难以直接测量的极微小的PN结反向饱和电流；学习到很多半导体物理的知识，掌握PN结温度传感器的原理。【实验目的】1、测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；2、在同一恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN结材料的禁带宽度；3、学习指数函数的曲线回归的方法，并计算出玻尔兹曼常数，估算反向饱和电流；4、探究：用给定的PN结测量未知温度。【

4、实验原理】一、PN结的正向特性理想情况下，PN结的正向电流随正向压降按指数规律变化。其正向电流IF和正向压降VF存在如下近关系式：（1）其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IS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有关的系数，可以证明：（2）其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数，r也是常数（r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4）；Vg(0)为绝对零度时PN结材料的带底和价带顶的电势差，对应的qVg(0)即为禁带宽度。将（2）式代入（1）式，两边取对数可得：（3）其中方程（3）就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，

5、它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含非线性顶Vn1。下面来分析一下Vn1项所引起的非线性误差。设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得（4）按理想的线性温度响应，VF应取如下形式（5）等于T1温度时的值由（3）式求导，并变换可得到（6）所以=（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为:△=V理想-VF=（8）设T1=300°K，T=310°K，取r=3.4,由（8）式可得△=0.048mV，而相应的VF的改变量约为20mV以上，相比之下误差△很小。不

6、过当温度变化范围增大时，VF温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于r因子所致。综上所述，在恒流小电流的条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这也就是PN结测温的理论依据。二、求PN结温度传感器的灵敏度，测量禁带宽度由前所述，我们可以得到一个测量PN结的结电压VF与热力学温度T关系的近似关系式：（9）式中S(mV/℃)为PN结温度传感器灵敏度。用实验的方法测出VF-T变化关系曲线，其斜率△VF/△T即为灵敏度S。在求得S后，根据式（9）可知（10）从而可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度＝。硅材料的约为1.21eV。必须

7、指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50℃-150℃）。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，VF—T关系将产生新的非线性，这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs，Eg为1.43eV）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb）的PN结，则低温端的线性范围宽。对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非