半導體PN結(jié)的物理特性

1、半導體PN結(jié)的物理特性簡介：半導體PN結(jié)的物理特性是物理學和電子學的重要基礎內(nèi)容之一，它在實踐中有著廣泛的應用，如各種晶體管、太陽能電池、半導體制冷、半導體激光器、發(fā)光二極管都是由半導體PN結(jié)組成。本實驗主要研究的兩個問題是：（1） 測量PN結(jié)擴散電流與電壓的關(guān)系；（2） 研究PN結(jié)電壓與熱力學溫度的關(guān)系。一、 實驗目的（1） 了解用運算放大器測量弱電流的原理和方法；（2） 測量PN結(jié)結(jié)電壓與電流關(guān)系，證明此關(guān)系符合指數(shù)分布規(guī)律，用作圖法求玻爾茲曼常數(shù)；（3） 測量PN結(jié)結(jié)電壓與溫度的關(guān)系，求出PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度；（4） 計算在絕對零度時，半導體材料的禁帶寬度。二、 實驗儀器：FD-PN

2、-4 PN結(jié)物理特性實驗儀三、 實驗原理1 PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)的測量半導體在常溫下PN結(jié)電壓與電流有如下指數(shù)關(guān)系： （1）公式（1）中為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，q為電子電量，U為電壓。本實驗用常規(guī)方法測量時，當PN結(jié)電壓較小時，PN結(jié)沒導通，通過的電流很弱，普通電流表很難準確測量，無法驗證真實的電壓電流關(guān)系和測量玻爾茲曼常數(shù)，而采用集成運放對弱電流放大可解決這些問題。2 弱電流測量實驗裝置如圖1所示，所用PN結(jié)由三極管提供，LF356是一個高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流電壓變換器，它可對弱電流放大并轉(zhuǎn)換成電壓形式。其工作原理如圖2所示，為被測弱電流，為

3、電路的等效輸入阻抗，為負反饋電阻，運放的開環(huán)放大倍數(shù)為，運算放大器的輸出電壓為： （2）由于運放輸入阻抗為無限大，反饋電阻流過的電流近似為， （3）只要測得輸出電壓和已知值，即可求得，將上式代入可得： （4）圖1 PN結(jié)擴散電源與結(jié)電壓關(guān)系測量線路圖圖2 電流電壓變換器3 PN結(jié)結(jié)電壓與熱力學溫度T的關(guān)系圖3當通過PN結(jié)電流為恒定的100uA時，與T有如下線性關(guān)系：，S為PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度，為半導體在絕對零度時的禁帶寬度。四、 實驗內(nèi)容與要求1 PN結(jié)伏安特性與玻爾茲曼常數(shù)（1）按圖聯(lián)接線路，調(diào)節(jié)電壓，取值在0.3V0.5V范圍內(nèi)，依次記下電壓和的數(shù)值。（2）對兩邊同取對數(shù)變換成線性關(guān)系

4、：，令，則，根據(jù)與關(guān)系繪出曲線，由曲線求出斜率，算出。（V）（V）（V）（v）2 PN結(jié)結(jié)電壓與熱力學溫度T的關(guān)系（1） 按圖聯(lián)接好線路，將被測二極管放入加熱孔內(nèi)，設置好加熱的最終溫度，按確定后開始加熱。（2） 加熱過程中，分別記錄與溫度t的數(shù)值，為保持通過二極管的電流為恒定的100uA。實驗中不斷地調(diào)節(jié)電壓輸出使的指示始終為1V。tT（3） 由表中數(shù)據(jù)作曲線，通過曲線確定S和，再根據(jù)公式算出半導體的近似禁帶寬度。五、 注意事項1. 數(shù)據(jù)處理時，對于擴散電流太小（起始狀態(tài)）及擴散電流接近或達到飽和時的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時應刪去，因為這些數(shù)據(jù)可能偏離公式（1）。2. 必須觀測恒溫裝置上溫度計讀數(shù)，待TIP31C三極管溫度處于恒定時（即處于熱平衡時），才能記錄和數(shù)據(jù)。3. 用本實驗儀器完成實驗，TIP31C型三極管溫度可采用的范圍為室溫-50。若要在-120-0溫度范圍內(nèi)做實驗，必須有低溫恒溫裝置。4. 由于各公司的運算放大器（LF356）性能有些差異，在換用LF356時，有可能同一臺儀器達到飽和電壓值不相同，但不影響實驗結(jié)果