半导体PN结的物理特性

1、半导体PN结的物理特性简介：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，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。本实验主要研究的两个问题是：（1） 测量PN结扩散电流与电压的关系；（2） 研究PN结电压与热力学温度的关系。一、 实验目的（1） 了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法；（2） 测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数；（3） 测量PN结结电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度；（4） 计算在绝对零度时，半导体材料的禁带宽度。二、 实验仪器：FD-PN

2、-4 PN结物理特性实验仪三、 实验原理1 PN结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量半导体在常温下PN结电压与电流有如下指数关系： （1）公式（1）中为反向饱和电流，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量，U为电压。本实验用常规方法测量时，当PN结电压较小时，PN结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。2 弱电流测量实验装置如图1所示，所用PN结由三极管提供，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，它可对弱电流放大并转换成电压形式。其工作原理如图2所示，为被测弱电流，为

3、电路的等效输入阻抗，为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为，运算放大器的输出电压为： （2）由于运放输入阻抗为无限大，反馈电阻流过的电流近似为， （3）只要测得输出电压和已知值，即可求得，将上式代入可得： （4）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3 PN结结电压与热力学温度T的关系图3当通过PN结电流为恒定的100uA时，与T有如下线性关系：，S为PN结温度传感器的灵敏度，为半导体在绝对零度时的禁带宽度。四、 实验内容与要求1 PN结伏安特性与玻尔兹曼常数（1）按图联接线路，调节电压VV范围内，依次记下电压和的数值。（2）对两边同取对数变换成线性关系：，令，则，根据与关

4、系绘出曲线，由曲线求出斜率，算出。（V）（V）（V）（v）2 PN结结电压与热力学温度T的关系（1） 按图联接好线路，将被测二极管放入加热孔内，设置好加热的最终温度，按确定后开始加热。（2） 加热过程中，分别记录与温度t的数值，为保持通过二极管的电流为恒定的100uA。实验中不断地调节电压输出使的指示始终为1V。tT（3） 由表中数据作曲线，通过曲线确定S和，再根据公式算出半导体的近似禁带宽度。五、 注意事项1. 数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式（1）。2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31C三极管温度处于恒定时（即处于热平衡时），才能记录和数据。3. 用本实验仪器完成实验，TIP31C型三极管温度可采用的范围为室温-50。若要在-120-0温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。4. 由于各公司的运算放大器（LF356）性能有些差异，在换用LF356时，有可能同一台仪器达到饱和电压值不相同，但不影响实验结果