半导体PN结物理特性的研究

半导体PN结电流─电压关系特性是半导体器件的基础，也是半导体物理学和电子学教学的重要内容。

1. 研究PN结的正向电流、电压及温度之间的关系，计算玻尔兹曼常数和禁带宽度。
2. 学习实验数据处理，根据残差图分析经验公式的适用性。
3. 了解用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。

参见参考资料1中的实验5－9。

PN结的正向电流I、正向电压U及所处温度T满足：

式中，为反向饱和电流。在常温条件下，T ≈ 300K， ≈ 0.026eV，U大于十分之几伏时， » 1，则上式可近似为：

又有：

式中，I₀为常数，E_g，γ为一常数（对于硅，γ约为3.4）。由于T^γ随温度变化较缓慢，故I_S随温度变化主要由决定。因此，I_S随温度升高而迅速增大。

实验中流过PN结的电流很小，用电流表直接测量，精度较差。因此，实际电流通过放大电路放大后以输出。

• 较小时，电流极小，虽经放大，但输出电压仍小于，此时反馈电流从输入端流向输出端，放大电路输出端出现截止失真。为负值。
• 较大时，电流很大，由于放大电路的输出电压不会超过其工作电压，此时输出电压会保持定值不变，出现饱和失真。不变。
• 适中时，电流大小适中较大，放大电路处于线性工作区，放大电路的输出电压与输入电流近似成正比，比例系数由反馈电阻的大小决定。即 ≈

实验装置包括：PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置（显示精度0.01℃）、数字电压表

打开万用表开关后，初始状态如上图所示。初始默认的“采样速率”为中速M（0.2秒刷新一次数值），数值的显示范围为00000—29999。

首先要调节“采样速率”为慢速S（0.5秒刷新一次数值），数值的显示范围为00000—99999。

“采样速率”为慢速，用档位测量电压，显示的电压数数为U，此时仪器不确定度限值：

例：输入电压为0.8V，用1V档测量，示数为800.00mV，，则 ；

用10V档测量，示数为0.8000V，，则 。

为避免因量程变换而引入额外的系统误差，在实际测量时需要固定量程不变。关闭“自动换量程开关”，按“增大量程”或“减小量程”，选定合适的测量量程。

仪器的不确定度限值 = 0.04℃

当“置数”指示灯亮时，可以设置所需要加热到的温度。按动“温度设定键”设置好温度值。（0~9循环设置）

再按“工作/置数”键，转换到工作状态。如果实时温度低于设定温度，“加热”指示灯亮起，加热器开始工作。

注意：加热模式为“弱”加热！加热速率约为 0.01℃/s。

由于PN结的热响应时间与恒温水浴装置的温度计的热响应时间不同，在弱加热升温1℃后，“实时温度”才和PN结的温度同步变化。

1. 保持温度不变（在室温下），测量PN结正向电流与电压的关系。（为什么选室温？）
   • 粗略测量PN结正向电压及正向电流所对应的电压之间的关系，由此选择合适的、量程，确定细测范围。（大致变化范围多少较合适？）
   • 测量PN结正向电流与电压的关系。（注意记录测量前后的温度，保持温度不变。小于多少可视为温度不变？）
   • 对实验数据分别作幂函数和指数函数拟合，分析它们的残差图，评价拟合结果的优劣。
   • 计算玻尔兹曼常数。
2. 测量PN结的温度特性。
   • 将水温升高5℃左右，观测PN结正向电压及正向电流发生的变化，并与室温时的细测数据作比较：相同的正向电流所对应的电压如何变化？变化多少？（一般情况下研究数据的变化，主要看变化的绝对数值和相对数值。）
   • 在不同的温度下（间隔5℃左右，最高温度与最低温度相差约30℃），保持电流不变，测量PN结正向电压与温度的关系。（注意测量过程中的温度波动。）
   • 对实验数据作拟合，并计算PN结材料的禁带宽度。

1. 沈元华、陆申龙主编.基础物理实验.北京：高等教育出版社.2003年.
2. 刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著.半导体物理学（第4版）.北京：国防工业出版社.1997年.

欢迎同学在此提问、讨论。 — 乐永康 2014/12/28 01:15

请问老师，您上课时说电压表不确定度限值为 a = 0.02% * U + 末位6，网页上实验原理部分写的是 a = 0.02 * U + 末位6。应该以哪个为准呢？谢谢老师！ — 吕盎然 2020/10/27 20:04

肯定是±(0.02%+6)啦，对于一台5位的高精度万用表，这个精度基本上肯定有的了。2%的大概是那种十几块钱的3位半表吧。 — 张翊凡 2020/11/11 13:34

已修正。感谢2位同学的“找茬”！