PN結(jié)伏安特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

課程編號(hào)課程編號(hào)得分教師簽名批改日期深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)名稱：PN結(jié)伏安特性的測(cè)量學(xué)院：指導(dǎo)教師：報(bào)告人：組號(hào)：學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：提交時(shí)間：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)要求作出PN結(jié)正，反向伏安特性曲線，以直觀理解PN結(jié)正向?qū)?，反向截止的點(diǎn)特新，為理解半導(dǎo)體內(nèi)部帶電粒子飄移，擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)提供強(qiáng)有力的事實(shí)依據(jù)。為得出準(zhǔn)確合理的曲線，需正確地連接實(shí)驗(yàn)線路，弄清伏安法內(nèi)接和外接的區(qū)別以及待測(cè)阻值大小與之相應(yīng)的接法；需采集微小變化量，非線性點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。在采集正反向曲線（U,I）點(diǎn)時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

通過本實(shí)驗(yàn)激發(fā)試驗(yàn)者的空間想象，邏輯推理能力，訓(xùn)練應(yīng)變能力以及強(qiáng)化嚴(yán)謹(jǐn)分析問題的能力和務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)，形成科學(xué)探索研究素質(zhì)、本實(shí)驗(yàn)著重培養(yǎng)和提高實(shí)驗(yàn)者在半導(dǎo)體領(lǐng)域的基本實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體分本征和雜質(zhì)兩大類。純凈的無雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，將顯著地改變半導(dǎo)體的特性，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。若在鍺中摻入百萬分之一的砷后，其導(dǎo)電率將提高數(shù)萬倍。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為空穴型（P型）和電子型（N型）兩種。下面對(duì)它們的導(dǎo)電性分別作一些簡要的說明。如圖7-1所示，將五價(jià)雜質(zhì)原子砷（As）摻入到四價(jià)硅（Si）中，砷有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)價(jià)電子與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵，第五個(gè)價(jià)電子所受的束縛較小，它可環(huán)繞帶正電的砷離子（As+）運(yùn)動(dòng)。砷這類五價(jià)雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。由于含有施主雜志半導(dǎo)體的載流子為電子，故摻有施主雜志的半導(dǎo)體也叫做N型半導(dǎo)體。如圖7-2所示，將三價(jià)雜質(zhì)原子硼（B）摻入到四價(jià)半導(dǎo)體鍺（Ge）中，由于硼有三個(gè)價(jià)電子，它和相鄰的鍺原子構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子，于是就存在一個(gè)帶+e電荷的空穴。這個(gè)空穴在帶+e電荷的硼離子的作用下，將環(huán)繞帶負(fù)電的硼離子（B-）運(yùn)動(dòng)。硼這類三價(jià)雜質(zhì)則稱為受主雜質(zhì)。由于含有受主雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子為空穴，故摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體也叫做P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相接觸時(shí)，在它們相接觸的區(qū)域就形成了PN結(jié)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，PN結(jié)兩端沒有加外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中沒有電流；當(dāng)PN結(jié)兩端加上外電壓時(shí)，就有電流通過，電流的大小和方向跟外加電壓有關(guān)。圖7-3是從實(shí)驗(yàn)中得出的PN結(jié)伏安特性曲線。從曲線中可以看到，若P型接正極，N型接負(fù)極，即電壓U為正向電壓時(shí)，電流為正值（I>0），這個(gè)電流叫正向電流，而且隨著正向電壓的增加，正向電流亦隨之呈指數(shù)上升。從曲線中還可以看到，若P型接負(fù)極，N型接正極，即電壓U為反向電壓時(shí)，電流為負(fù)值（I<0），這個(gè)電流叫做反向電流，其絕對(duì)值較正向電流小，且隨著反向電壓的增加，反向電流很快達(dá)到飽和電流Is。利用PN結(jié)的這個(gè)特性，可制成電子線路中常用的檢波和整流二極管。下面對(duì)PN結(jié)的導(dǎo)電特性作一些說明。當(dāng)P型與N型相接觸時(shí)，有電子從N型擴(kuò)散到P型中去，同時(shí)也有空穴從P型擴(kuò)散到N型中去（見圖7-4（a））。這樣，在P型和N型相接觸的區(qū)域就出現(xiàn)了偶電層（見圖7-4（a））。由于這個(gè)偶電層的存在，在P型和N型相接觸的區(qū)域內(nèi)就存在由N指向P的電場(chǎng)，它要阻止空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散，直至達(dá)到動(dòng)平衡為止。這時(shí)，在P型和N型接觸區(qū)域存在如圖7-4（c）所示的電勢(shì)變化情況。圖中U0為動(dòng)平衡時(shí)P、N之間勢(shì)壘的高度。因而無論是空穴或電子都需克服高度為U0的勢(shì)壘，從能通過偶電層進(jìn)入到N或P中去。圖中“o”為空穴，“●”為電子，x0為偶電層的寬度，實(shí)驗(yàn)測(cè)得約為10^-7m。然而，當(dāng)P接外電源正極，N接外電源負(fù)極，即P、N間為正向電壓U時(shí)，則使勢(shì)壘高度降低，于是N型中的電子和P型中的空穴將較容易通過PN結(jié)，從而在電路中形成電流。這就是圖7-3中，隨正向電壓增加，正向電流亦增加的道理。反之，當(dāng)P接外電源負(fù)極，N接外電源正極，即P、N間為反向電壓-U時(shí)，N型中的電子和P型中的空穴都更難通過PN結(jié)，從而在電路中只能形成很弱的電流，且很快就會(huì)達(dá)到飽和電流，這點(diǎn)亦可從圖7-3中看出。半導(dǎo)體PN結(jié)的種種應(yīng)用已深入到人們生活中的許多方面，也幾乎涉及一切科技領(lǐng)域。由于納米材料和相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，集成電路的集成度（即芯片上的元件數(shù)）越來越高，在1cm2的芯片上已能集成上億個(gè)電子元件。三、實(shí)驗(yàn)儀器：本實(shí)驗(yàn)的儀器實(shí)物圖如圖7-5所示。1.直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)

2.可變電阻箱的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

3.電壓表

4.電流表

5.被測(cè)元件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)定及繪制出PN結(jié)的正向，反向伏安特性曲線（分別用電流表外接和內(nèi)接）。按圖7-8、圖7-9連接實(shí)驗(yàn)線路，選取合適的電源、變阻器的值，自己設(shè)計(jì)表格。為得到合理的正向、反向伏安特性曲線需采集多少個(gè)點(diǎn)？間距是多少？測(cè)定及繪制出穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性曲線。

選擇電流表外接或內(nèi)接。選取合適的電源、變阻器的值，自己設(shè)計(jì)表格。為得到合理的反向伏安特性曲線需采集多少個(gè)點(diǎn)？間距是多少？（3）線性電阻器伏安特性測(cè)試（選做）。

（4）鎢絲燈泡的伏安特性測(cè)試（選做）。數(shù)據(jù)處理1.分別畫出PN結(jié)正、反向伏安特性曲線2.畫出穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性曲線七、思考題：（1）在實(shí)驗(yàn)中，分別用電流表外接、內(nèi)接得到的正向、反向伏安特性曲線有什么區(qū)別？哪種接法更合理？已知電流表內(nèi)阻約為98Ω。（2）穩(wěn)壓二極管反向伏安特性曲線與PN結(jié)反向伏安特性曲線有什么區(qū)別？穩(wěn)壓二極管是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的？答：（1）電流表內(nèi)接電路電流讀數(shù)準(zhǔn)確，電壓表讀數(shù)中因附加有電流表的內(nèi)阻電壓不夠準(zhǔn)確。電流表外接電路電壓表讀數(shù)準(zhǔn)確，電流表讀數(shù)中因附加有電壓表的內(nèi)阻電流不夠準(zhǔn)確。測(cè)量穩(wěn)壓二極管反向伏安特性時(shí)，外接電壓未達(dá)到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值時(shí),關(guān)鍵是測(cè)量出反向漏電流,而且這時(shí)電壓變化時(shí)漏電流變化很小,只要準(zhǔn)確測(cè)量出漏電流的大小即可。所以應(yīng)采用電流表內(nèi)接電路。外接電壓達(dá)到穩(wěn)壓值后,關(guān)鍵是測(cè)量出穩(wěn)壓值以及穩(wěn)壓值隨電流變化的情況,這時(shí)電流變化時(shí)電壓變化很小,只要準(zhǔn)確測(cè)量出電壓即可。所以應(yīng)采用電流表外接電路。（2）穩(wěn)壓二極管的反向特性曲線與PN結(jié)的反向特性曲線非常接近，因?yàn)槎O管內(nèi)部實(shí)質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)，但也有區(qū)別：主要就是在那個(gè)擊穿區(qū)。穩(wěn)壓二極管的擊穿區(qū)，特性曲線的斜率比較大，近似垂直，這樣就意味著，當(dāng)反向電流增大時(shí)，反向電壓的變動(dòng)幅度不大；而PN結(jié)，斜率相對(duì)要小，這就意味著，隨著反向電流增大，其實(shí)穩(wěn)壓效果很差，即反向電壓會(huì)在一個(gè)相對(duì)較寬的范圍內(nèi)波動(dòng)。

穩(wěn)壓二極管就是依靠二極管的反向擊穿特性工作的，要正常工作必須滿足兩個(gè)條件：

1、外部所施加的反向電壓必須大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓；

2、穩(wěn)壓管通過的反向電流必須在合理范圍內(nèi)，即最小穩(wěn)定電流至最大穩(wěn)定電流之間。八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論：指導(dǎo)教師批閱意見：成績?cè)u(píng)定：