半导体pn结的物理特性

课程 授课时间 授课地点 模拟电子技术基础 10 综B 章节 授课教师 授课班级 PN结及其单向导电性 尹金兴 05机电工程 教学目的 撑握PN结的形成及其单向导电性的原理。 与要求 重点 难点 学会用原子结构理论分析PN结的形成及其单向导电性的原理 PN结的形成及其单向导电性的原理分析。 授课类型 讲授课 教学进程和时间分配表 序号 １ 2 3 4 5 6 教学内容 组织教学 复习旧课引入新课 讲授新知识 （1）、PN结的形成 （2）、PN结的单向导电性 实验验证 知识回顾与提问（巩固所学知识） 布置作业 时间分配 2＂ 3＂ 28＂ 6＂ 5＂ 1＂ 教学方法 讲解、 演示、 提问、 实验观察 课后记要 电子技术课程比较抽象，应加强学生实验，增强直观性，同时也可培养学生的动手操作能力。 备注 本课程为电工、电子专业技术理论课。 教师的活动 教学内容和序列 学生的活动 - 1 -

导入教学 （3分钟） （配以相应的图片加以说明） （启发学生思考） 讲授新课 （36分钟） 教师的活动 复习半导体的基本知识： 通过上次课的讲解，我们知道：按杂质半导体中掺入杂质性质的不同，它可分

实验1 低温的获得与测量及半导体的低温特性

温度降低，物质的物理性质将发生变化，由此提供了研究物质物性的新方向和新技术，进一步揭开物质世界的奥秘。低温物理已成为物理学科的一个重要分支，低温技术在很多领域获得了重要的应用，如低温超导技术；空间技术中使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧；用低温技术模拟宇宙空间的真空和低温环境，以便进行太空模拟试验；用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径。

一、实验目的

1．掌握低温获得与测量的原理与方法。

2．了解闭循环低温系统的原理，了解氦致冷机和真空系统的技术背景、测量技术。 3．了解半导体PN结的低温特性，培养学生的低温实验技能和实验数据处理能力。

二、实验仪器

闭循环氦气制冷机系统，数字万用表，电阻温度测量计等

三、实验原理

1、低温产生的原理：

制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用形式又有以下四种：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式。

蒸汽压缩式制

实验四 pn结特性测量

一、前言

早在六十年代初，人们就试图用PN结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件，由于当时PN结的参数不稳定，始终未进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高及人们不断的探索，到七十年代时，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身于各个领域了。

众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格贵；而PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特点，尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，仍是其它温度传感器所不能比的，其应用势必日益广泛。目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组成一块集成电路。美国Motorola电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mV/℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成电

实验一 PN结器件电流—电压特性

一、基本原理

PN结是半导体结型器件的核心，是IC电路的最基本单元，诸多半导体器件都是由PN结组成的。最简单的结型器件是半导体二极管，根据不同场合的用途，使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管，如整流二极管、检波二极管、光电二极管（发光二极管、光敏二极管）等；三极管与结型晶体管就是由两个PN结构成的。因此深入了解与掌握PN结的基本特性，是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。

PN结的最重要特性是单向导电性，即具有整流特性。也就是说，正向表现低阻性，反向为高阻性。若在PN结上加上正向偏压（P区接正电压、N区接负电压）则电流与电压呈指数关系，如下式 I?I0?exp??qv?? （Ⅰ） nkT??式中q是电子电荷，K是波尔兹曼常数，T是工作温度（K），V是外加电压，n是复合因子，

根据实际测量曲线求出。随着电压缓慢升高

初试科目：半导体物理学

参考书：半导体物理学 顾祖毅 田立林 富力文 电子工业出版社 考试大纲：

第一章 半导体的晶格结构和缺陷 1 半导体的基本特性 2 常见半导体材料

3 主要半导体器件及其可选用的材料 4 常见半导体的结构类型 5 名词解释

化学键 共价键 离子键 分子键 金属键 晶格缺陷 间隙式杂质 代位式杂质 反晶格缺陷 层错 扩散系数 晶粒间界 第二章 半导体中的电子状态

1 在周期性势场中，电子薛定谔方程的解为布洛赫函数，即波函数：

?1(r)?uk(r)eik?r

uk(r)?uk(r?an)

布洛赫函数不是单色平面波。K为波矢，描述电子共有化运动。平面波因子e表明晶体中不再是局域化的，扩展到整个晶体之中，反映了电子的共有化运动。uk(r)反映了周期性势场对电子运动的影响，说明晶体中电子在原胞中不同位置上出现的几率不同。uk(r)的周期性说明晶体中不同原胞的各等价位置上出现的几率相同。

2 电子在周期场中运动的量子力学处理有几种近似的方法？试简述之。

（1）近自由电子近似 （2）紧束缚近似

3 由于共有化运动，晶体中电子可以看成是整个晶体共有的，因此孤立原子的能

PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量

半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压Ube与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。

【实验目的】

1、在室温时，测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。

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10-6A至10-8A的弱电流。

4、测量PN结结电压be与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度（选作）。 6、学会用最小二乘法拟合数据。 【实验仪器】

FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。

U

FD-PN-4 型PN节物理特性测定仪

【实验原理】

1.

1. （ D ）下面关于有效质量的叙述错误的是 。 A. 有效质量概括了半导体内部势场的作用

B. 有效质量直接把外力f和电子的加速度联系起来

C. 有效质量的引入使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用

D. 不是所有的有效质量都可以直接由实验测定

2. （ D ）对于只含一种杂质的非简并ｐ型半导体，费米能级随温度上升而 。 A. 上升 B. 下降 C. 不变

D. 经过一极值后趋近Ei

3. （ C ）一块半导体寿命τ=15μs，光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30μs后，其中非平衡载流子将衰减到原来的 。 A.1/4 ； B.1/e ； C.1/e2 ； D.1/2 4. （ A ）不是深杂质能级特点的是 。 A. 杂质能级离带边较近 B. 多次电离（多重能级） C. 有可能成为两性杂质 D. ED，EA 可与Eg相比拟

5.（ B ）对于补偿的半导体材料，下列叙述正确的是 。 A.载流子浓度取决于杂质浓度较大者，载流子迁移率取决于电离杂质总浓度 B.载流子浓

半导体管特性图示仪的使用和晶体管参

数测量

作者：本站 来源：www.elecfans.com 发布时间：2009-3-9 9:12:09 [收 藏] [评 论]

半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量 一、实验目的

1、了解半导体特性图示仪的基本原理

2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。

二、预习要求

1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体

管图示仪的各旋钮作用。

2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。

三、实验原理

（一）半导体特性图示仪的基本工作原理

任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、 输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、 漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的 伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且 所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶

体管输入、输出特性曲线。

图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路

用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是

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电子技术Electronic Technology 教材： 《电子技术》

授课方法： 讲授、讨论和练习相结合 任课教师： 郝振洋

E-mail: zhenyang_hao@

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电子技术的内容简介模拟电路 处理时域中连续信号的电路

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绪 论电子技术的发展概况 电子技术的内容简介 学习电子技术的目的 学习电子技术的方法

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电子技术的发展概况电子技术的定义： 电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计 和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学。 伴随着电子技术的发展而飞速发展起来的电子计 算机所经历的四个阶段充分说明了电子技术发展 的四个

4.27 PN结正向压降与温度关系的研究和应用

常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它们的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻(如铂电阻)有精度高、线性好的优点，但灵敏度低且价格较贵；而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点，所以PN结温度传感器的应用日益广泛。但这类温度传感器的工作温度一般为-50℃-150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进一步改进和开发。本实验就是研究PN结正向压降及其与温度的关系的。

4.27.1 实验目的

(1)了解PN结正向压降随温度变化的基本性质。

(2)在恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度及被测PN结材料的禁带宽度。

(3) 学习用PN结测量温度的方法。 4.27.2 实验原理

理想的PN结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近似关系式：

IF?Isexp(qVF) (4-127)