pn结的电流电压特性

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

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

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)

电流电压检测方法

一， 电压检测

1电压检测相对比较简单，电压传感器并接在待测电压的线端就行。 0.1V以上的精度的话比较简单，简单芯片就可以，比较器。或电压跟随器；放大器来满足精度不够的问题，不同的放大器有不通的精度 A) 以下为电压范围检测，输出状态：

常用器件：LM358，TL431等

B) 使用分压电路， 将0--100V转换成0—5V ， 然后通过ADC取样转换成数字信号，1024或更高位。精度在10-3方， 这种办法可以测定连续线性电压。

常用芯片AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等等。 C) 高精度一般采用专门的ADC转换芯片，带有专用接口。常见于

0.05V以上的精度，要考虑到漂移。常用专门芯片转换，ADC转换芯片。可以对连续的线性电压进行取样检测。

常用芯片如CS1232 ADC 0808/0809 ,AD574A , ADS1110, MAX4080/MAX4081 INA270 INA271

注意：电压电流转换的时候，根据需要为了防止干扰，有带隔离的芯片。

二， 电流检测

电流检测分为接触与非接触式， 接触式：互感检测法、电阻检测法； 非接触式：霍

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

6

物理实验

第 2 3卷

第 l O期

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化胡险峰摘

朱世国

(川大学物理学院四川成都 60 6 )四 1 0 4要：绍了在不同温度下， N结正向伏安特性曲线的自动测量方法。论了 P结伏安特性与温度的关介 P讨 N

系 .由于正向结电压小于内建电势差，度升高或正向结电压增加，向结电流将增大，度升高反向结电流也相温正温应增加.当温度趋向 O时。向结电压趋向内建电势差 . K正关键词： N结 I安特性曲线 I度；建电势差 P伏温内中圈分类号： 7 04 5文献标识码： A文章编号￣ 0 54 4 (0 3 1— 0 60 1 0— 6 2 2 0 ) 00 0—4

V a i to f po ii e v t a pe e c r t r s i s o r a i n o s tv ol- m r ha ac e itc f

P j n to t e e a u e N u cin wih tmp r t rHU a -e g ZH U h— u Xin f n S ig o( y isCo lg,Sih a n v r iy,Ch n d Ph sc le e c u n

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

6

物理实验

第 2 3卷

第 l O期

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化胡险峰摘

朱世国

(川大学物理学院四川成都 60 6 )四 1 0 4要：绍了在不同温度下， N结正向伏安特性曲线的自动测量方法。论了 P结伏安特性与温度的关介 P讨 N

系 .由于正向结电压小于内建电势差，度升高或正向结电压增加，向结电流将增大，度升高反向结电流也相温正温应增加.当温度趋向 O时。向结电压趋向内建电势差 . K正关键词： N结 I安特性曲线 I度；建电势差 P伏温内中圈分类号： 7 04 5文献标识码： A文章编号￣ 0 54 4 (0 3 1— 0 60 1 0— 6 2 2 0 ) 00 0—4

V a i to f po ii e v t a pe e c r t r s i s o r a i n o s tv ol- m r ha ac e itc f

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阶 段 测 试

一、 填空题

1、如果有若干个照明灯、电饭煲、电风扇等用电器，要求它们能够分别被控制，就应当将它们 联在 V家庭电路中； 2、有一段粗细不均匀的导线，A、B处横截面积不同，B、C两处横截面积相同，如图所示，设通过三处横截面的电流分别为它们的比是

3、在铅笔芯、橡皮、胶木、钨、食用油、空气、盐水、瓷碗、陶罐、塑料和铁片等物质中，属于导体的是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

则：

4、甲、乙两个电阻，阻值分别为20Ω和30Ω，把他们串联后接入电源电压

为10V的电路中，总电阻是 Ω，电路中的电流是 A。 5、将一带电的有机玻璃棒靠近带正电的泡沫塑料小球时，相互作用

情况如图所示由此可知：有机玻璃棒带 电，这是因为 ．

6、如图所示，要L1、L2两灯串联，应闭合 ；要使

L1、L2并联，应闭合 ；开关S1、S2不能同时闭合，因为这时会出现 ．

7、如甲图电路，当开关s闭合后，电流表的指针偏转如乙图所示，其中a电

流表测量的是通过 b电流表的读数应为

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.

WORD格式可编辑

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

8.关于电流表和电压表的使用，下列说法错误的是 （ ）

A.使用前都应检查指针是否指零

B.若有两个量程，一般都先用大量程“试触” 图

7

C.两表都不能将两接线柱直接接到电源的两极上

D.接入电路时，都应使电流从正接线柱流入，从负接线柱流出

9.如图7所示的电路里，在圆圈a,b,c上连接适当电表，使灯L1和L2并联且能发光，那么a应是________表；b是________表；c是_________表。

10．在如图8所示电路中，开关S闭合后，灯泡L1和L2正常

发光。请在图中圆圈内填上合适的电表符号。

12.在图37中，闭合开关后，通过灯泡L1的电流为0.5A，通过灯泡L2的电流为0.4A，试根据图甲将图乙中的实物用铅笔线表示导线连接起来。

13．现有电源、开关各一个、两个灯泡L1和L2、两个电流表A1和A2、导线若干。请按要求在题右上方框内画出电路图。要求：（1）灯泡L1、L2并联；

（2）开关控制整个电路；（3）电流表A1测灯泡L1的电流；（4）电流表A2测总电流。

一、单选题：

1. 在图1所示的四个电路中，正确的电路图是 （ ）

2. 在日常生活中，人们常说“开灯”、“关灯”，其物理含义是（ ）

A.开灯是指断开开关，