PN结正向特性的研究和应用 主讲人：冯波.

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1 PN结正向特性的研究和应用 主讲人：冯波

2 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。

3 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。

4 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。
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5 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。

6 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。

7 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。

8 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。

9 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

10 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。

11 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= × 10^-23 J/K 焦耳／开， T热力学学温度，T= t℃。

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13 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。

14 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。

15 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。

16 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？

17 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；

18 谢 谢 观 看 相关内容请关注物理实验中心网站：wlsy.njust.edu.cn 本次实验学习完毕，谢谢大家观看