半导体半导体 PNPN 结的物理特性结的物理特性

石浩石浩

1.1. 实验目的实验目的 2.2. 实验原理实验原理 3.3. 实验内容实验内容 4.4. 实验数据处理实验数据处理 5.5. 总结和收获总结和收获

1.1. 实验目的实验目的 （（ 11 ）测量半导体）测量半导体 PNPN 结电流与电压的关系结电流与电压的关系 （（ 22 ）测定）测定 PNPN 结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数 2.2. 实验原理实验原理 PNPN 结（结（ PN junctionPN junction ）。采用不同的掺杂工艺，通过）。采用不同的掺杂工艺，通过

扩散作用，将扩散作用，将 PP 型半导体与型半导体与 NN 型半导体制作在同一块半型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称空间电荷区称 PNPN 结。结。 PNPN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。 PP 是是positivepositive 的缩写，的缩写， NN 是是 negativenegative 的缩写，表明正荷的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是掺有受主杂质是 PP 型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是NN 型半导体时 ，型半导体时 ， P P 型半导体和型半导体和 NN 型半导体的交界面附型半导体的交界面附近的过渡区称为近的过渡区称为 PNPN 结。结。 PNPN 结有同质结和异质结两种。结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 用同一种半导体材料制成的 PN PN 结叫同质结 ，由禁带结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的宽度不同的两种半导体材料制成的 PNPN 结叫结叫异质结。 异质结。

（（ 11 ）） PNPN 伏安特性及玻耳兹曼常数测量伏安特性及玻耳兹曼常数测量 本实验采用硅三极管接成共基极线路，因为此时本实验采用硅三极管接成共基极线路，因为此时

集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管（它。本实验中选取性能良好的硅三极管（ TIP31TIP31 型），型），实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略 。全可以忽略 。

1M

LF356-

+

7

4

+15V

-15V

2

3

6

e c

b

V1 V2

100Ω1.5V

TIP31 TIP31

eb c

LF356

1 2 3 4

8 7 6 5

Rf

Is

Ko-

+

U0UiZr

Is

（ 2 ）．弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流 - 电压变换器 ( 弱电流放大器 ),如图所示。其中虚线框内电阻 Zr 为电流 - 电压变换器等效输入阻抗。

（ 3 ） .PN结的结电压 U 与热力学温度 T关系测量

V1

V2

3V

R1

R2

RTR4

V2

R

33.. 实验步骤实验步骤

（（ 11 ）） UU11 为三位半数字电压表，为三位半数字电压表， UU22 为四位半数为四位半数字电压表，字电压表， TIP31TIP31 型为带散热板的功率三极管，型为带散热板的功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持调节电压的分压器为多圈电位器，为保持 PNPN 结与结与周围环境一致，把周围环境一致，把 TIP31TIP31 型三极管浸没在盛有变型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中。变压器油温度用铂电阻进行测压器油干井槽中。变压器油温度用铂电阻进行测量。量。

（（ 22 ）在室温情况下，测量三极管发射极与基极）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压之间电压 UU11 和相应电压和相应电压 UU22 。在常温下。在常温下 UU11 的值的值约从约从 0.30.3VV 至至 0.420.42VV 范围每隔范围每隔 0.010.01VV 测一点数测一点数据，约测据，约测 1010 多数据点，至多数据点，至 UU22 值达到饱和时值达到饱和时（（ UU22 值变化较小或基本不变），结束测量。在记值变化较小或基本不变），结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度，取温度平均值。 温度，取温度平均值。

（（ 33 ）．改变干井恒温器温度，待）．改变干井恒温器温度，待 PNPN 结与油温结与油温湿度一致时，重复测量湿度一致时，重复测量 UU11 和和 UU22 的关系数据，并的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。与室温测得的结果进行比较。

（（ 44 ）） .. 曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数（它们是物理学中最回归这三种常用的基本函数（它们是物理学中最常用的基本函数），然后求出衡量各回归程序好常用的基本函数），然后求出衡量各回归程序好坏的标准差坏的标准差 δδ 。对已测得的。对已测得的 UU11 和和 UU22 各对数据，各对数据，以以 UU11 为自变量，为自变量， UU22 作因变量，分别代入：作因变量，分别代入：

（（ aa）线性函数）线性函数 UU2=2=aUaU1+1+bb；； （（ bb）乘幂函数）乘幂函数 UU2=2=aUaU11bb；； （（ cc）指数函数。求出各函数相应的）指数函数。求出各函数相应的 aa 和和 bb值，值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。办法是：把实验测得的各必须用标准差来检验。办法是：把实验测得的各个自变量个自变量 UU11分别代入三个基本函数，得到相应因分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值变量的预期值 UU2*,2*,并由此求出各函数拟合的标准并由此求出各函数拟合的标准差 差 ..

(5)(5)．计算．计算 //常数，将电子的电量作为标准差代入，常数，将电子的电量作为标准差代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。

二、关系测定，求二、关系测定，求 PNPN 结温度传感器灵敏度结温度传感器灵敏度 SS ，，计算硅材料计算硅材料 0K0K 时近似禁带宽度值。时近似禁带宽度值。

1.1. 通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流保持不变，即电流 II ＝＝ 100μA100μA 。同时用电桥测量。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，铂电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔 5℃5℃ －－10℃10℃ 测一定值（即测一定值（即 V1V1 ）与温度（℃）关系，求）与温度（℃）关系，求得关系。（至少测得关系。（至少测 66 点以上数据）点以上数据）

2.2. 用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出 PNPN结测温灵敏度结测温灵敏度 SS 及近似求得温度为及近似求得温度为 0K0K 时硅材料时硅材料禁带宽度 禁带宽度 ..

4.4.实验数据处理实验数据处理

1.1. 关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。以曼常数。以 UU11 为自变量，为自变量， UU22 为因变量，分别进为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合。 行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合。

2. 2. 电流电流 II ＝＝ 100μA100μA 时，关系测定，求时，关系测定，求 PNPN 结温结温度传感器的灵敏度度传感器的灵敏度 SS ，计算，计算 0K0K 进硅材料的近似进硅材料的近似禁带宽度。禁带宽度。

线性回归线性回归

乘幂回归乘幂回归

指数回归拟合指数回归拟合

实验所得结果实验所得结果

1.1. 计算玻尔兹曼常数：计算玻尔兹曼常数： 由数据得由数据得 e/k=e/k=bT bT =1.059×10=1.059×104 4 CK/JCK/J 则则 = 1.513×10= 1.513×10-23 -23 J/KJ/K 将结果与玻尔兹曼公认值进行比较将结果与玻尔兹曼公认值进行比较。。

2.2.用用 ORANGEORANGE 对数据进行直线拟合得：对数据进行直线拟合得： （（ 11 ）斜率，即传感器灵敏度）斜率，即传感器灵敏度 SS ＝＝ -0.00172 mV/K-0.00172 mV/K （（ 22 ）截距）截距 =1.1169 V=1.1169 V （（ 0K0K温度）温度） （（ 33）相关系数）相关系数 rr＝＝ 0.98235 0.98235 （（ 44） 禁带宽度） 禁带宽度 =1.1169 =1.1169 电子伏特，电子伏特，

将此结果与硅在将此结果与硅在 0K0K温度时禁带宽度公认值＝温度时禁带宽度公认值＝ 1.205e1.205eVV 相比较。相比较。

66.. 总结和收获总结和收获

这个实验看上去步骤是很多的，尤其是要测出三这个实验看上去步骤是很多的，尤其是要测出三组数据，还有要改变电路，加热冷却；后来听老组数据，还有要改变电路，加热冷却；后来听老师说过原理之后就明白了它的原理，按照电路图师说过原理之后就明白了它的原理，按照电路图连接电路后按部就班做下来之后发现这个实验并连接电路后按部就班做下来之后发现这个实验并不是很复杂。不是很复杂。

在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据删去，所以总是得不出较好的结果。后来才数据删去，所以总是得不出较好的结果。后来才发现，之后删除那些数据拟合出来的图线较为完发现，之后删除那些数据拟合出来的图线较为完美了，得到这些图像后我才真正了解了半导体的美了，得到这些图像后我才真正了解了半导体的物理特性，真正动手做一个实验和理论上研究实物理特性，真正动手做一个实验和理论上研究实验原理是由本质区别的。 验原理是由本质区别的。

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