Transcript PN结物理特性（朱赛健）

半导体PN结的物理特性
引言：
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。本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，
并较精确的测出玻尔兹曼常数（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。
实验目的


测量半导体PN结电流与电压关系。
测定PN结温度传感器的灵敏度和玻尔兹曼常数。
实验仪器简略图
U
U
II I 0I(e(kTe kT
 1) 1)
0
实验原理
PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学
可知，PN结的正向电流—电压关系满足：
I  I 0 (e
U
kT
 1)
式中，I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，
在温度恒定时，I为常数，T是热力学温度， 是电子
的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温T=300K
时，kt / e≈0.026V ，而PN结正向压降约为0.1V的数
U
量级，则
exp，括号内
-1项完全可以忽略，于
e kT  1
是有：
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，则可以求出e/kT。在测得温度
T后，就可以得到e/T常数，把电子电量作为已知值
代入，即可求得玻尔兹曼常数。
U
I  I 0 (e kT  1)
实验线路如图所示
1M
7
TIP31
1.5V
e
100Ω
c
b
V1
2
3
-
+15V
LF356
TIP31
b c e
6
+
8 7 6 5
4 -15V
V2
LF356
1 2 3 4
加在三极管B，E间的电压U1则通过的电
流为Ie,三极管电流分布满足Ie=Ib+Ic,又
因为Ib很小，所以Ie约为Ic；通过理想运
放器把Ic放大成U2，且它们之间满足指
数关系，那么U1与流过PN结的电流Ic也
满足指数关系。
弱电流测量
简介
过去实验中10-6A ~ 10-11A量级弱电流采用光点反射式
检流计测量，该仪器灵敏度较高约10-9A/分度，但有
许多不足之处。近年来，集成电路与数字化显示技术
越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良，价格
低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具
有输入阻抗低，电流灵敏度高。温漂小、线性好、设
计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物
理测量中。
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),如图所示。其中
虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。
由图可知，运算放大器的输入电压U0为：
U 0  k0Ui
Rf
+
Is
Zr
Is
Ko
Ui
电流－电压变换器
U0
Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，
即图中电阻时的电压增益，Rf 称反馈电阻。因为
理想运算放大器的输入阻抗，所以信号源输入电
流只流经反馈网络构成的通路。因而有：
Is 
U i  U 0 Ui( I  K0 )

Rf
Rf
可得电流—电压变换器等效输入阻抗Zr为
Rf
Rf
Ui
Zr 


I s 1  K0 K0
可得电流—电压变换器输入电流Is输出电压U0之
间得关系式，即：
Is 
U 0 (1  K0 )
U (1  1/ K0 )
 0
K0 R f
Rf
只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr
和IS值得大小。对LF356运放的开环增益
K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为
 10
 5 （Ω）
1.00MΩ，则得：Z  11.00
 2  10
若选用四位半量程200mV数字电压表，它最后一
位变化为0.01mV ，那么用上述电流—电压变换器
能显示最小电流值为：
6
r
( I s )min
5
0.01  10 3 V
11


1

10
A
1 10 6 
由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换
器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优
点。
U be  ST  U go
3．PN结的结电压与热力学温度T关系测量。
当PN结通过恒定小电流（通常电流I＝1 000μA），
由半导体理论可得与T近似关系：
U be  ST  U go
式中mV/℃为PN结温度传感器灵敏度。由可求出
温度0K时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的
约为1.20eV。
实验内容
一、关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，
计算玻尔兹曼常数（U be  U1）
（1）在室温情况下，测量三极管发射极与基极
之间电压U1和相应电压U2。在常温下U1的值约
从0.3V开始，每隔0.01V测一点数据，约测10多
数据点，至U2值达到饱和时（U2值变化较小或
基本不变），结束测量。在记数据开始和记数
据结束都要同时记录变压器油的温度θ，取温度
θ平均值。
（2）改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度
一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室
温测得的结果进行比较。
U be  T 关系测定，求PN结温度传感器
二.
灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度 E 值。
g0
R1
RT
V1
V2
R2
3V
R4
R
V2
（1）实验线路如左上图所示，测温电路如右上图所示。
其中数字电压表V2通过双刀双向开关，既作测温电桥
指零用，又作监测PN结电流，保持电流I＝100μA。
（2）通过调节左上图电路中电源电压，
使上电阻两端电压保持不变，即电流I
＝100μA。同时用电桥测量铂电阻 的
R
电阻值，通过查铂电阻值与温度关系
表，可得恒温器的实际湿度。从室温
U
开始每隔5℃－10℃测一定 值（即V1）
T
be
与温度θ（℃）关系，求得
关系。（至
U T
少测6点以上数据）
be
实验总结
半导体PN结电阻率在常温下基本上是线性的。
但是随着温度的变化而变化，呈现指数形式。
PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核
心，是现代电子技术的基础。半导体在实际电
路中有着非常广泛的应用。如：如利用PN结单
向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和
开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和
雪崩二极管 ，利用结电容随外电压变化效应制
作变容二极管利用两个PN结之间的相互作用可
以产生放大，振荡等多种电子功能 。
做这个实验要有极大的耐性，要在对实验有初步认
识的基础上进行实验操作。
提议：半导体PN结还有很多物理特性，因为实验器
材的限制不能更多的探讨，希望以后能够有机会进
行研究。