少年班系07级姓名何栋梁日期2008/11/19 No.PB07000669
一、实验名称：PN结的正向压降温度特性曲线的研究86
二、实验预习报告：（另附）
三、实验原始数据：（见实验预习报告）
四、实验数据处理：
1、升温时，根据公式)
K
T
T+
=,将实验数据中的数
.
(
15
2730C
据转化为国际单位制的数据，将实验的数据做成ΔV-T的
曲线，如下图：
根据该图，用origin软件处理数据得到
少年班系07级 姓名何栋梁 日期2008/11/19 No.PB07000669
Linear Regression Y = A + B * X Parameter V alue Error
------------------------------------------------------------
A 611.37548 1.09244 B
-2.07727
0.0032
------------------------------------------------------------ R SD N P ------------------------------------------------------------ -0.99998 0.33949 18
<0.0001
由上面的数据可以知道直线的斜率K=-2.08mV/K 由公式S F F T dT
dV V Vg -
=可以得知
S
F g
KT V V
-=,代入数据可得
V g1=[606+2.08×(273.15+21.7)]mV=1.22V 2、降温时，同样的处理得到曲线如下：
少年班系07级 姓名何栋梁 日期2008/11/19 No.PB07000669
Linear Regression Y = A + B * X Parameter
V alue
Error
------------------------------------------------------------
A
621.21634
2.61604
B -2.10772 0.00768
------------------------------------------------------------
R SD N P ------------------------------------------------------------
-0.99989 0.8018
18 <0.0001
由以上数据可知道，降温时的ΔV-T 的曲线的斜率为
K=-2.11mV/K,同样的有：
S
F g
KT V V
-=,代入数据可得
V g2=[606+2.11×(273.15+21.7)]mV=1.23V 那么由1和2处理得到的数据可以得到 V
V V V V g g g
225.12
23
.122.12
2
1=+=
+=
至此，我们可以得到PN 结的禁带宽度为E g =qV g 所以 E g =1.225eV ，其相对误差为
%
67.0%100225
.1015.0%1000
=?=
?-=
g
g g E E E d
PN 结的温度系数（灵敏度）S 即为ΔV-T 的曲线的斜率 故 S=（-2.08-2.11）/2 mV/K =-2.095 mV/K 五、实验结果分析及总结：
1、实验结果与理论值之间相差得比较小，实验比较好的得
少年班系07级姓名何栋梁日期2008/11/19 No.PB07000669
到了PN结的正向压降与温度之间的特性，实验结果比较理
想。
2、本实验的误差的主要来源是实验仪器的系统误差，由于
仪器内部的传感器等的老化和其他因素，会使实验得到的数
据出现系统误差。
3、本次实验对实验者的实验技能要求不是很高，该实验的
主要母的是学习一种测量PN结的温度系数与禁带宽度的方
法，通过本次实验，我们较好的掌握了这一方法。
六、实验思考题：
Q1：
A：实验测定V F（0）或V F（T R）是因为计算PN结的禁带宽度时要到这个数据。实验采用ΔV-T的曲线，由于
该曲线理论上是过原点的，直接测量曲线的斜率，
可以避免测量V-T时的非线性常数项带来的误差。 Q2:
A:因为实验时，温度的变化不好控制，难以准确的将温度确定在某个点，而且该实验采用的仪器温度测量的
精确到小数点后面一位，而压降只能精确到整数位，
故采用前者。有错
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( kT qV Is I F F = 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[kT qV CT Is g r -= 由上面可以得到： 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= 其中 () r n F g InT q KT V T I c In 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 ： [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( )(111T T T V V V F F F -??+=理想 ()[] ()r T T q k T 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 T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+-- =-=?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
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 f U 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 00 1i 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
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。两边取对数得 ，其中γlnT 随温度T 的变 化相比（eU-T ）/kT 很缓慢，可以视为常数。 （3）当正向电压U 不变时作lnI-1/T 图像并进行线性拟合，得到拟合方程斜率（eU-E ）/k ，代入已知常数便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E ；当正向电流I 不变时作U-T 图并进行线性拟合，得到拟合直线截距E/e ，带入已知常数，便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。 3、实验装置及其原理 （1）如图所示为由运算放大器组成的电流-电压变换器电路图，电压表V1测量的是正向电压U1，电压表V2测量的是正向电流I 经运算放大器放大后所对应的电压U2，分析电路后可知，正向电流I ≈U 2/R f ，其中R f 为反馈电阻。通过二极管的正向电流除了扩散电流外，还 (1)eU kT s I I e =-1 eU kT e >>eU kT s I I e =lnI lnI s eU kT =+0E kT s I I T e γ - =0eU E kT I I T e γ-=0ln lnI ln eU E I T kT γ-=++
成都信息工程学院 物理实验报告 姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 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 f U 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 00 1i 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
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。·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。（U2何时出现饱合？为什么会出现饱合？） ·由粗测结果确定仔细测量的范围（U2大致的变化范围是多少？）；约测12-16组数据。·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合，由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。 ·计算玻尔兹曼常数k。 2、保持PN结正向电压不变，测量PN结正向电流与温度的关系。 ·温差不小于30℃，不少于7组数据。（如何保持PN结的正向电流不变？） ·以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。 3、保持PN结正向电流不变，测量PN结正向电压与温度的关系。 ·温差不小于30℃，不少于7组数据。 ·以此推算正向电压与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。 实验数据记录 1、粗测： 粗测时分为三个阶段，第一阶段是V2<0，此时V1<274.66mV，当V2=0时，V1=274.66mV 接下来是第二阶段，V2>0，V1和V2都发生变化，但V2变化幅度逐渐变小，直至几乎不变，当V2=13.503V时，不论V1如何变化，V2都几乎不再发生变化，刚到达此值时，V1=0.4745V 再后来是第三阶段，V1继续变化，但V2几乎不变。 则所取细测范围为274.66mV~0.4745V之间。 细测：(小数点后5位的原测量时单位为mV) 组数V1/V V2/V T/°C 1 0.27320 0.00004 23.7 2 0.28617 0.00420 23.8 3 0.29920 0.01117 23.8 4 0.31217 0.0224 5 23.8 5 0.3252 0.04145 23.8 6 0.3382 0.07314 23.8 7 0.3512 0.12625 23.9 8 0.3642 0.21435 23.9 9 0.3772 0.3617 23.9 10 0.3902 0.6053 23.9 11 0.4032 1.0102 23.9 12 0.4162 1.6975 24.0 13 0.4292 2.8294 24.0 14 0.4422 4.7240 24.1 15 0.4552 7.8870 24.1 16 0.4682 13.108 24.1
大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用得分教师签名批改日期 深圳大学实验报告 课程名称: 大学物理实验(三) 实验名称: pn结的温度特性的研究及应用 学院: 组号指导教师: 报告人: 学号: 班级: 实验地点实验时间: 实验报告提交时间: 1 一、实验设计方案 1、实验目的 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。 在工作电流恒定的情况下，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。 设计用PN结测温的方法。 2、实验原理 2.1 、PN结正向压降和工作电流、及所处的温度的关系: PN 结正向压降和工作电流、及所处的温度的基本函数关系如下: ,,KcKT, ----------(1) 0lnlnVVTTVV,,,,，，，，，,,FgLNLqIqF,, 其中: 导带
,19q,，1.610C，为电子的电荷。禁带 EeV,gF-23-1,K=1.38×10JK，为玻尔兹曼常数， 价带T――绝对温度。 图1 半导体的能带结I――PN结中正向电流。 f 构γ 是热学中的比热容比，是常数。 V(0)是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。(半导体材料的能带理论中，把未g 排满电子的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，不能排列电子的能量区域叫禁带，如图1所示。E叫禁带宽度.) g ,,KTKc,,lnVT 其中，是线性项。是非线性相。 0lnVVT,,，，，， NL,,LgqqIF,, 非线性项较小，(常温下)可忽略其影响，在恒流供电条件下PN结的V对T的依赖关系F取决线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降。 2.2、PN结测温的方法 如果PN结正向压降在某一温度区域和温度变化恒定电流I F成线性关系，就可以利用这一特性将它作为温度传感器的 转换探头，原理如图2所示。将PN结做成的温度探头放在待温度显示结电压V F测环境中，通以恒定电流，温度变化可以引起结电压变化，图2 PN结测温原理测量结电压，将它转换成温度显示，从而达到测量温度的 目的。 2 在计算机实测实验过程中。将电压转换成温度显示是很简单的，只需作一个计算就可以了。 2.3、实验装置: 温度传感器
深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 大学物理实验（1） 实验名称： PN 结的伏安特性测量 学院： 信息工程学院 专业： 班级： 组号： 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点： 实验时间： 实验报告提交时间： 教务处制得分教师签名批改日期 高中语用金属套启动，作为布置卷突术是
一、实验目的： 二、实验原理：、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。、电气课件中调试对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。
pn 结正向特性的研究实验报告 实验目的： 1) 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2) 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。 3) 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 存在如下近似关系 )exp( kT qV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；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等有关的系数，可以证明 ])0(ex p[kT qV CT Is g r - = （2） 其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ??-= （3） 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ??-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。 设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式：
实验报告 一、实验题目：Pn 结与二极管 二、实验目的： 1、对半导体二极管的伏安特性有一些感性认识，测绘二极管伏安特性曲线； 2、了解Pn 结测温原理，测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。 三、实验原理： 1、晶体二极管的导电特性 晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。正向导通电压小（锗管约0.3V ，硅管约0.5V ）,反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）相差很大（几伏到几百伏）。当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大，此时，欧姆定律对二极管不成立。在这次实验中，就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。测量电路如下： 2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。 Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。Pn 结温度传感器的原理如下： Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数： (0)(ln )ln g F r F k B k V V T T e I e =-- 其中，e 是电子电荷，k 是波尔兹曼常数，B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常 数，r 是常数（ 3.4r ≈），T 是绝对温度，V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。 上式中有两项，线性项：(0)(ln )g F L k B V V T e I =- 图2二极管反向伏安特性测量线路 图1二极管正向伏安特性测量线路 (a) mA 表外接 (a) mA 表内接 (a) mA 表外接 (a) mA 表内接
PN 结特性和玻尔兹曼常数测定 1、实验目的 1.在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线； 2.在不同温度下，测量玻尔兹曼常数； 3.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，计算灵敏度，估算被测PN 结材料的禁带宽度 2、实验仪器 1.FB302A 型PN 结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪 2.温度传感器PT100 3.PN-Ⅱ型PN 结综合实验仪 3、实验原理 3.1.PN 结伏安特性与玻尔兹曼常数测定 由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足： 01be eU kT I I e ??=- ??? (1) 式(1)中I 是通过PN 结的正向电流，0I 是不随电压变化的常数，T 是热力学温度，e 是电子的电量，U 为PN 结正向电压降。由于在常温()300T K ≈时，/0.026kT e V ≈，而PN 结正向电压下降约为十分之几伏，则1be eU kT e ?，于是有： 0be eU kT I I e = (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 。在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为已知值代入，就可以求得玻尔兹曼常数，测得的玻尔兹曼精确值为 2311.38110k J K --=??。 为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法， 而是采用11nA mA :范围的可变精密微电流源，能避免测量微电流不稳定，又能准确地测量正向压降。 3.2.弱电流测量 以前常用光点反射式检流计测量6111010A A --:量级PN 扩散电流，但该仪器有 许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号，温漂大、读数困难等。为了更精确地测量玻尔兹曼常数，而设计了一个能恒流输出11nA mA :范围的精密微电流源。解决了在测量中很多不稳定因素，能准确地测量正向压降。 3.3.PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量 PN 结通过恒定小电流(通常电流1000I A μ=)，由半导体物理可知be U 和T 近 似关系： be go U ST U =+ (3) 式(3)中 2.3o S mV C ≈-为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度OK 时半导体材料的近似禁带宽度go go E qU =。硅材料的go E 约为1.20eV 。 4、实验内容与主要步骤 1.实验系统检查与连接： (1)NPN 三极管的bc 极短路，be 极构成一个PN 结，并用长导线连接测量仪，可方便插入加热器。 (2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置，在连接插头时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插
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。
pn结的特性实验报告 本实验中不使用硅二极管进行测量，而是将硅三极管的集电极c 与基极 b 短接代替PN 结进行测量．此时集电极电流只包含扩散电流，而耗尽层复合电流主要在基极 b 出现，测量集电极电流时不包括它。若实验时选取性能良好的硅三极管，并处于较低的正向偏置，则表面电流的影响可以完全忽略。 实验过程 1、测量PN 结正向电流I 与正向电压U 的关系 （1）搭建如图所示实验装置，将三极管与温度传感器浸没在盛有油的试管中，将试管与加热器浸没在盛满水的烧杯中，将磁性转子放置在烧杯底部，用铝盖板盖住烧杯，接通电源。 （2）测量室温T ，粗测PN 结正向电压U 1与正向电流I 放大后对应的电压U 2之间的关系，观察是否有饱和现象，根据粗测结果确定细测时U 1的取值范围。 （3）保持温度T 不变并且记录T 的值，测量室温下PN 结正向电压U 1电压U 2之间的关系。 （4）计算正向电流I ，分别作I-U 与lnI-U 图像，并分别对I-U 图进行幂函数拟合与指数函数拟合，对lnI-U 图进行线性拟合，分析各拟合方式得出经验公式并计算玻尔兹曼常数k 。 2、测量PN 结正向电流I 及正向电压U 与温度T 的关系 （1）在室温的基础上，升高温度3-5K ，记录PN 结正向电压U 1与电压U 2相对未升温时细测数据的变化，分析相同正向电压U 1
对应的电压U 2的变化规律，相同电压U 2对应的正向电压U 1的变化规律，选择合适的正向电压U 1与电压U 2的大小作为实验常数,。 （2）逐渐升高温度T （最终与最初之间的温差不小于30K ），测量相同正向电压U 1对应的电压U 2，相同电压U 2对应的正向电压U 1，计算正向电流I 。 （3）根据理论选取合适函数对实验数据进行拟合，计算0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。 注意事项 （1）搭建实验装置时要注意将试管的油面控制在烧杯的水面下方，以便充分热交换。 （2）本实验仪器加热装置设计为将水加热至所设定的温度，然而由于加热装置的余热使水最终热平衡的温度会再升高1K 左右，测量数据时要等待达到热平衡后再测量。 （3）本实验所用电压表的量程会自动调节，因此记录数据时要注意有效位数。 （4）室温下对于U 1、U 2的测定一定要观察温度示数，确保其不变且保证U 2未达到饱和。
实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究 实验目的： 1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2．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。 3．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 存在如下近似关系 )exp( kT qV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；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等有关的系数，可以证明 ])0(ex p[kT qV CT Is g r - = （2） （注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节） 其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ??-= （3） 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ??-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。 设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( （4）
PN 结正向压降与温度特性的研究 一、实验目的 1． 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2． 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。 3． 学习用PN 结测温的方法。 二、实验原理 理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp( kT qV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；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等有关的系数，可以证明 ])0(ex p[kT qV CT Is g r - = （2） （注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节） 其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= （3） 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ? ?-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方
程。令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。 设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(11 1T T T V V V F F F -??+ =理想 （5） T V F ??1 等于T 1温度时的T V F ??值。 由（3）式可得 r q k T V V T V F g F ---=??111 )0( （6） 所以 ()[] ()r T T q k T 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 （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 ()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+--=-=?理想 （8） 设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，V F 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，在恒流供电条件下，PN 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项V 1，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。必须指出，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；V F —T 关系将产生新的非线性，这一现象说明V F —T 的特性还随PN 结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs ）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
实验报告：PN 结正向压降温度特性的研究 一、实验题目： PN 结正向压降温度特性的研究 二、实验目的： 1 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2 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。 3 学习用PN 结测温的方法。 三、实验仪器: 样品架和测试仪。 四、实验原理： 理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp( kT qV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；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等有关的系数，可以证明 ])0(ex p[kT qV CT Is g r - = （2） （注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节） 其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= （3） 其中
() r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ??-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。 设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(11 1T T T V V V F F F -??+ =理想 （5） T V F ??1 等于T 1温度时的T V F ??值。 由（3）式可得 r q k T V V T V F g F ---=??111 )0( （6） 所以 ()[] ()r T T q k T 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 （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()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+-- =-=?理想 （8） 设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，V F 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，在恒流供电条件下，PN 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项V 1，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。必须指出，上述结论仅适用于杂
实验题目: PN 结正向压降温度特性的研究实验目的: 1.了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2.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。 3.学习用PN 结测温的方法。 实验原理: 理想PN 结的正向电流S I 和压降F V 存在如下近似关系 )exp( kT qV I I F S F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；S I 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，可以证明 ])0(ex p[kT qV CT I g r S - = （2） 其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数；r 也是常数；)0(g V 为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= （3） 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=??? ? ? ?-=11)0(
这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。令=F I 常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项1V 外还包含非线性项1n V 项所引起的线性误差。 设温度由1T 变为T 时，正向电压由1F V 变为F V ，由（3）式可得 [] r F g g F T T Ln q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 )0()0( （4） 按理想的线性温度影响，F V 应取如下形式： )(11 1T T T V V V F F F -??+=理想 （5） T V F ??1 等于1T 温度时的T V F ??值。 由（3）式可得 r q k T V V T V F g F ---=??111 )0( （6） 所以 ()[] ()r T T q k T 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 （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 ()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+--=-=?理想 （8） 设K T 3001=，K T 310=，取4.3=r ,由（8）式可得mV 048.0=?，而相应 的F V 的改变量约mV 20，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时， F V 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。
实验报告---半导体PN结的物理特性及弱电流测量(精)
成都信息工程学院 物理实验报告 姓名：石朝阳专业：班级：学号： 实验日期： 2009-9-15下午实验教室：5102-1 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 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 1M LF356 -+ 7 4 +15V -15V 23 6 e c b V 1 V 2 100Ω 1.5V TIP31 TIP31 e b c LF356 1234 8765 R f I s K o -+ U 0 U i Z r I s 图2 电流－电压变换器
实验报告（正式）86 实验者：张钟秀PB07009003 实验日期：2008.10.20 实验题目：PN结特性的研究 注：实验目的，实验原理见预习报告，预习报告与原始数据以纸质材料提交。 实验条件：时间14：00~17:00 天气多云20℃ 实验仪器： 基准电源 QS-J型PN结特性测试仪 实验内容： 1、仪器调整，预热20min，测量硅管，I F=50μA，ΔV=0V，记录t℃和V F。 2、升温测量（t<120℃）。 3、降温测量（切断加温电流）。 4、升温、降温数据分别处理（origin），计算该PN结温度系数和禁带宽度，结 果与公称值比较并求相对误差。 实验数据及处理： 实验起始温度T S（升温）=26.5℃T S（降温）=26.7℃ 工作电流I F=50μA 起始温度时为T S时的正向压降V F（T S）=602mV 表：升温、降温温度T与ΔV关系
分别以T（升温）T（降温）为x轴，ΔV为y轴，用origin进行线性拟合 升温时： S=－2.108mV/℃ Vg(0)=V F(T S)－S·T S=602+2.108×(26.5+273.2)=1233mV Eg(0)=qVg(0)=1e×1233mV=1.23eV 相对误差为| Eg(0)－Eg(0)公认|/ Eg(0)公认=|1.23－1.21|/1.21=1.65％ 降温时： S=－2.117mV/℃ Vg(0)=V F(T S)－S·T S=602+2.117×(26.7+273.2)=1237mV Eg(0)=qVg(0)=1e×1237mV=1.24eV
相对误差为| Eg(0)－Eg(0)公认|/ Eg(0)公认=|1.24－1.21|/1.21=2.48％ 思考题： 1、测V S（0）或V F（T S）的目的何在？为什么实验要求测?V—T曲线而不是V F—T曲 线。 答：测V F（T S）是为了较准确地计算Vg(0)，因为虽然按照公式使用任意温度T处数据都可求得Vg(0)，但由于半导体元件状态并不稳定，且由于仪器精度问题，一个V 对应了多个T，使得误差较大，而试验一开始便记录V F（T S）可减小这种问题导致的误差。 测?V—T曲线而不是V F—T曲线是因为试验中使用基准电源补偿了正向压降V F（T R），直接测V F时，由于电源的内阻等原因是V F产生误差，而测?V则不存在这个问题。 2、测?V—T曲线为何按?V的变化读取T，而不是按自变量T读取?V。 答：因为测T的仪器灵敏度较高，测?V的仪器灵敏度较低，一个?V直对应了多个T 值，按?V读取T时可以读取每个?V对应的第一个T值，这样可以减小线性拟合 直线的斜率的误差。