大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用

实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。

此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。

大学物理实验教案实验名称：PN 结正向电压温度特性的测定1 实验目的１）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。

２）掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。

３）确定PN 结的测温灵敏度。

2 实验仪器科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机3 实验原理3.1实验原理PN 结是半导体器件的核心。

在P （或N ）型半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N （或P ）型，这样，在两种材料交界处就形成了PN 结，它保持了两种材料之间晶格的连续性。

P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大，空穴由P 区向N 区扩散，并与N 区的多子自由电子复合，在N 区产生正离子的电荷区；N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大，自由电子由N 区向P 区扩散，并与P 区的多子空穴复合，在P 区产生负离子的电荷区。

P 区和N 区的电荷区之间形成电场，在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况，它阻止扩散运动的进一步加强。

最终形成两种运动的动态平衡。

我们把这个空间电荷区叫PN 结，有时也叫作耗尽层。

根据半导体理论，通过PN 结的正向电流e I IkT qV s f =（1） 式中：I f ——正向电流（mA ）；V f ——正向压降（V ）；I s ——反向饱和电流（mA ）；q电子电量（e ）；k ——波尔兹曼常数；T ——热力学温度（K ）。

而：e T I kT V goq B A s -=（2）式（2）中：V go ——能带间隙电压（V ）；A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。

由（1）、（2）式经整理后，PN 结正向压降的温度灵敏度S 为：)(q kB T f go dT f d S V V V +--== （3）根据这一特性，PN 结可作为温度传感器来使用。

3.2实验方法本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。

把待测的PN 结放置热源中，并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流，PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后，连接到自定义电压传感器来测量电压。

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。

PN结正向电压温度特性研究PN结是半导体器件中最基础的结构之一，其正向电压温度特性的研究对于半导体器件的设计和制造具有非常重要的意义。

正向电压温度特性主要是指PN结在正向偏置条件下随着温度的变化，其导通电流呈现的变化趋势。

本文将从PN结的基本原理入手，阐述PN结正向电压温度特性的研究现状和未来发展趋势。

一、PN结的基本原理PN结是由n型半导体和p型半导体制成的，两者在接口处形成一个p区和一个n区。

在无外加电场的情况下，内部电子和空穴随机运动，处于热平衡状态。

当施加正向偏置电压时，p区和n区内部的自由载流子（电子和空穴）向接合区域移动，形成电流。

这时，p 区的空穴向n区的电子流动，这些电子被空穴俘获形成电子-空穴对，释放出固定在接合区的禁带电荷。

随着电子-空穴对的生成增多，禁带电荷也随之增加，导致PN结的势垒变得更高。

在一定的偏压下，电子-空穴对的生成速度与重组速度达到平衡，此时PN结处于稳态。

PN结正向电压温度特性的研究主要涉及到 PN结正向电流-电压特性及其随温度的变化趋势。

在温度变化的情况下，PN结的导通电流变化可以表现为电压-电流特性曲线的整体移位或形状的变化。

现有的研究主要从理论和实验两个方面入手。

1. 理论研究理论研究主要基于PN结的基本原理，采用经典物理学和量子力学的方法，通过解析或数值计算得到PN结导通电流的温度特性。

早期的计算方法主要基于PN结的物理特性，如Shelter位反式结、插入层结等。

这些计算方法主要集中在温度小于300K的情况下，随着计算机技术的发展，现在可以采用更加先进的数值计算方法来模拟PN结的正向电流-电压特性，如Monte Carlo模拟、自洽场模拟等。

这些方法可以很好地模拟PN结的电流-电压曲线和随温度变化的趋势，为PN结正向电压特性的研究提供了有力的支持。

2. 实验研究实验研究主要通过制备不同结构和材料的PN结样品，测量其正向电流-电压特性，并研究其随温度的变化趋势。

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(kTqV Is I FF = （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[kTqV 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 Fg F V V InT q kT T I c In qkV V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中这就是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[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TVF ∂∂值。

由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0(（6）所以()[]()r T T q kT 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 TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=*,由（8）式可得=，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。

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(kTqV Is I FF = （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[kTqV 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 IcIn q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中()rn F g InT qKTV T Ic 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[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5） TV F ∂∂1等于T 1温度时的T V F ∂∂值。

由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0( （6） 所以()[]()r T T q kT 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 )(11+--=-=∆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。

pn结正向压降与温度关系的研究实验报告.doc
实验原理：p-n结是半导体器件中最基本的一种，其具有单向导电性能，因此在正向
偏置时，电流可流通，反向偏置时电流不能流通。

在实际应用中，p-n结的正向偏置电压
往往是一个重要的参数，因此研究正向压降随着温度的变化规律有着重要的意义。

实验步骤：
1.准备相应的实验材料：p-n结柱、万用表、稳压源、温度计、热电偶、直流电源等。

2.将p-n结柱插入稳压源的输出端，接通电源，并将万用表的正负极分别接在正负极
之间，记录下正向偏置的电压值。

3.将热电偶紧贴p-n结表面，记录下当前的温度值。

4.分别改变p-n结的温度值，并记录正向偏压下的电压值，得到多组数据。

5.根据实验数据，绘制电压-温度曲线图，进行分析。

实验数据记录：
| 温度（℃）| 正向偏压（V）|
| -------- | -------- |
| 20 | 0.35 |
| 30 | 0.32|
| 40| 0.29|
| 50| 0.26|
| 60| 0.23|
数据处理：
将所得数据画成图表，可以看出正向偏压随着温度的升高而逐渐降低。

结论：
从实验结果可以看出，p-n结正向偏压随着温度的升高而逐渐降低，这是由于随着温
度升高，半导体材料中的自由载流子浓度会增加，这会导致势垒高度的减小，从而使正向
偏压下的电压降低。

因此，在半导体器件的实际应用中，需要注意温度变化对其性能的影响，合理的散热设计可以有效提高器件的工作可靠性。