PN结正向特性的研究和应用 主讲人：冯波
一、实验背景 量子物理应用于固体之后，科学家们深入地了解半导 体材料的结构与原理。在研究P型和N型半导体材料的基础 上，物理学家们发明了具有PN结的半导体晶体二极管，进 而发明了集成电路和大规模集成电路，使人类得以进入微 电子时代，PN结的发明，为信息革命开辟了道路。
1个PN结可以构成晶体二极管，各种LED发光器件、半导体激光器、温度传感器、光敏传感器等。
2个PN结可以构成一个晶体三极管。三极管可以在电路中作为电子开关和电流放大器使用。 4
1）半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。 1.2 几个基本物理概念 1）半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。 硅和锗的原子结构模型 锗原子 硅原子 简化模型 硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。
每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。 2）本征半导体（纯净的半导体晶体） 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。
3）空穴 室温下，少数价电子的热运动挣脱共价键的 束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一 个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的 原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。 一般将空穴等效成带正电荷的载流子。 共价键中的价电子很容易过来填补相邻空 穴，这样空穴便转移到其他共价键中。新的 空穴又会被邻近的价电子填补，带负电荷的 价电子依次填补空穴的运动。从效果上看， 相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。
4）N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价 电子有四个…多出的一个电子不受共价键的 束缚,室温下很容易成为自由电子。磷原子失 去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动）。 每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子 数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体 主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。
5）P型半导体 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四 个硅原子…由于缺少一个价电子而产生一个空 位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填 补。 硼原子得到一个电子成为负离子（在晶体中不能 移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴， 每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加， 远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴 导电，称为空穴型或P型半导体
6）PN结内建电场的形成 扩散运动：如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。 由于浓度差，电子和空穴都要从高浓度区域向低浓度区域扩散，这样，P区失去空穴，留下不能移动的负离子，N区失去电子而留下不能移动的正离子，最终，由数量相等的正负离子组成了由N区指向P区的内电场。外部电压需要大于内建电场才能使PN结导通。
2.1 PN结正向电流—电压的关系 二、实验原理 I是通过PN结的正向电流，I0是不随电压变化的常数， T为PN结正向压降，q是电子的电荷量，q=1.6×10-19 C ， k玻耳兹曼常数，k= 1.3806505× 10^-23 J/K 焦耳／开， T热力学学温度，T=273.15+t℃。
2.2 PN结温度特性。 生活中，PN结可以被制作成温度计，集成 在芯片里，广泛应用到电子设备中。其原理是， 保持PN结电流不变，PN结上的电压会随着环境 温度而线性的变化，我们只要测定好PN结的温 度电压特性，就可以根据PN结上的电压值，反推 出当前的温度。
2、在excel中进行曲线拟合，求出经验公式：运用最小二乘 法将实验数据代入指数函数 I=aexp(bU) ，求出相应的系数a 和b值。 三、实验内容和步骤 3.1 PN结电流和电压关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数。 1、在室温情况下，调节PN结上的电流，使PN结上的电压U 每隔0.01伏变化，记录对应PN结上的电流I。 去掉截止区数 据。 电压U 的值约从0.3伏至0.5伏，共记录20组数据。 2、在excel中进行曲线拟合，求出经验公式：运用最小二乘 法将实验数据代入指数函数 I=aexp(bU) ，求出相应的系数a 和b值。 3、利用公式b=e/K/T，求出玻尔兹曼常数K。并与公认值比 较，求出相对误差。
3.2 PN结温度电压特性测定。 1、设定电流I＝50微安（50000nA），打开加热开关， 加热电流0.5安左右，从室温开始每隔3度测量对 应PN结电压值。 2、求出电压和温度的经验公式。
思 考 题 1. PN结电流和电压关系测定中，电压表采用内接法，还是外接法好？
3.用给定的PN结传感器测量未知温度； 1.测量PN结的反向电流特性； 2. PN结电流和电压关系测定中，尝试利用补偿法提高测量精度； 实验拓展： 1.测量PN结的反向电流特性； 2. PN结电流和电压关系测定中，尝试利用补偿法提高测量精度； 3.用给定的PN结传感器测量未知温度；
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