pn结伏安特性的测量

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

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

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.

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

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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

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

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)

测量小灯泡的伏安特性曲线

系别： 化学与药学系 专业班级：药物制剂7班 姓名： 袁楚婷 孙思琪 指导老师：张玲玲

摘要：小灯泡在电流一定范围内电压与电流的关系为U=KI^n，K和n是小灯泡有关的系数 关键词：外接法;分压式;伏安特性曲线;最小二乘法

一. 实验目的

（一） （二） （三）

掌握各仪器的使用方法及正确的连接方法 掌握用伏安法测量电阻的基本方法及误差分析 测定非线性带内阻的伏安特性

二. 实验要求

（一） 设计测量小灯泡的伏安特性曲线的电路。伏安法中有电流表内

接和外接法两种，应分析使用哪一种？若用数字万用表的直流电压档测量又如何呢？设计中要考虑电压表、电流表的等级、量程等参数。 （二） （三） （四）

验证公式：V=KI^n

用电脑软件处理实验数据，求系数K和n。

思考如何求室温下灯丝的静态电阻和动态电阻(R=dU∕dI)

三. 实验方案

电学元件的电流和电压之间关系曲线称为伏安特性曲线，不同电学元件的伏

安特性曲线不同。电阻的伏安特性曲线――线性，小灯泡的伏安特性曲线――非线性，二极管（正向和反向）的伏安特性曲线――非线性。

根据部分电路欧姆

测量小灯泡的伏安特性曲线

系别： 化学与药学系 专业班级：药物制剂7班 姓名： 袁楚婷 孙思琪 指导老师：张玲玲

摘要：小灯泡在电流一定范围内电压与电流的关系为U=KI^n，K和n是小灯泡有关的系数 关键词：外接法;分压式;伏安特性曲线;最小二乘法

1

一. 实验目的

（一） （二） （三）

掌握各仪器的使用方法及正确的连接方法 掌握用伏安法测量电阻的基本方法及误差分析 测定非线性带内阻的伏安特性

二. 实验要求

（一） 设计测量小灯泡的伏安特性曲线的电路。伏安法中有电流表内

接和外接法两种，应分析使用哪一种？若用数字万用表的直流电压档测量又如何呢？设计中要考虑电压表、电流表的等级、量程等参数。 （二） （三） （四）

验证公式：V=KI^n

用电脑软件处理实验数据，求系数K和n。

思考如何求室温下灯丝的静态电阻和动态电阻(R=dU∕dI)

三. 实验方案

电学元件的电流和电压之间关系曲线称为伏安特性曲线，不同电学元件的伏

安特性曲线不同。电阻的伏安特性曲线――线性，小灯泡的伏安特性曲线――非线性，二极管（正向和反