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1、深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 大学物理实验（一） 实验名称： PN 结伏安特性的测量 学 院： 指导教师： 报告人： 组号： 学号 实验地点 实验时间： 得分 教师签名 批改日期课程编号 提交时间： 一、实验目的实验要求作出 PN 结正，反向伏安特性曲线，以直观理解 PN 结正向导通，反向截止的点特新，为理解半导体内部带电粒子飘移，扩散等运动提供强有力的事实依据。为得出准确合理的曲线，需正确地连接实验线路，弄清伏安法内接和外接的区别以及待测阻值大小与之相应的接法；需采集微小变化量，非线性点的原始数据。在采集正反向曲线（U,I）点时应区别对待。 通过本实验激发试验者的空间想象，逻辑推
2、理能力，训练应变能力以及强化严谨分析问题的能力和务实的工作作风，形成科学探索研究素质、本实验着重培养和提高实验者在半导体领域的基本实验测试技术。二、实验原理半导体分本征和杂质两大类。纯净的无杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中掺入微量的杂质，将显著地改变半导体的特性，成为杂质半导体。若在锗中掺入百万分之一的砷后，其导电率将提高数万倍。杂质半导体分为空穴型（P型）和电子型（N 型）两种。下面对它们的导电性分别作一些简要的说明。如图 7-1 所示，将五价杂质原子砷（As）掺入到四价硅（Si）中，砷有五个价电子，其中四个价电子与相邻的硅原子形成共价键，第五个价电子所受的束缚较小，它可环绕带正电
3、的砷离子（As+）运动。砷这类五价杂质称为施主杂质。由于含有施主杂志半导体的载流子为电子，故掺有施主杂志的半导体也叫做 N 型半导体。如图 7-2 所示，将三价杂质原子硼（B）掺入到四价半导体锗（Ge）中，由于硼有三个价电子，它和相邻的锗原子构成共价键时，缺少一个价电子，于是就存在一个带+e电荷的空穴。这个空穴在带+e 电荷的硼离子的作用下，将环绕带负电的硼离子（B-）运动。硼这类三价杂质则称为受主杂质。由于含有受主杂质半导体的载流子为空穴，故掺有受主杂质的半导体也叫做 P 型半导体。当 P 型半导体和 N 型半导体相接触时，在它们相接触的区域就形成了 PN 结。实验中发现，PN 结两端没有加
4、外电压时，半导体中没有电流；当 PN 结两端加上外电压时，就有电流通过，电流的大小和方向跟外加电压有关。图 7-3 是从实验中得出的 PN 结伏安特性曲线。从曲线中可以看到，若 P 型接正极，N 型接负极，即电压 U 为正向电压时，电流为正值（I0） ，这个电流叫正向电流，而且随着正向电压的增加，正向电流亦随之呈指数上升。从曲线中还可以看到，若 P 型接负极，N 型接正极，即电压 U 为反向电压时，电流为负值（I0） ，这个电流叫做反向电流，其绝对值较正向电流小，且随着反向电压的增加，反向电流很快达到饱和电流 Is。利用 PN 结的这个特性，可制成电子线路中常用的检波和整流二极管。 下面对 P
5、N 结的导电特性作一些说明。当 P 型与 N 型相接触时，有电子从 N 型扩散到 P 型中去，同时也有空穴从 P 型扩散到 N 型中去（见图 7-4（a） ） 。这样，在 P 型和 N 型相接触的区域就出现了偶电层（见图 7-4（a） ） 。由于这个偶电层的存在，在 P 型和 N 型相接触的区域内就存在由 N 指向P 的电场，它要阻止空穴和电子的继续扩散，直至达到动平衡为止。这时，在 P 型和 N型接触区域存在如图 7-4（c）所示的电势变化情况。图中 U0 为动平衡时 P、N 之间势垒的高度。因而无论是空穴或电子都需克服高度为 U0 的势垒，从能通过偶电层进入到N 或 P 中去。图中“o”为
6、空穴， “”为电子，x0 为偶电层的宽度，实验测得约为 10-7m。然而，当 P 接外电源正极，N 接外电源负极，即 P、N 间为正向电压 U 时，则使势垒高度降低，于是 N 型中的电子和 P 型中的空穴将较容易通过 PN 结，从而在电路中形成电流。这就是图 7-3 中，随正向电压增加，正向电流亦增加的道理。反之，当 P 接外电源负极，N 接外电源正极，即 P、N 间为反向电压-U 时，N 型中的电子和 P 型中的空穴都更难通过 PN 结，从而在电路中只能形成很弱的电流，且很快就会达到饱和电流，这点亦可从图 7-3 中看出。半导体 PN 结的种种应用已深入到人们生活中的许多方面，也几乎涉及一切
7、科技领域。由于纳米材料和相应技术的发展，集成电路的集成度（即芯片上的元件数）越来越高，在 1cm的芯片上已能集成上亿个电子元件。三、实验仪器：本实验的仪器实物图如图 7 - 5 所示。1.直流稳压电源的技术指标 2.可变电阻箱的结构和技术指标 3.电压表 4.电流表 5.被测元件4、实验内容：（1）测定及绘制出 PN 结的正向，反向伏安特性曲线（分别用电流表外接和内接） 。按图 7-8、图 7-9 连接实验线路，选取合适的电源、变阻器的值，自己设计表格。为得到合理的正向、反向伏安特性曲线需采集多少个点？间距是多少？（2）测定及绘制出稳压二极管的反向伏安特性曲线。 选择电流表外接或内接。选取合适
8、的电源、变阻器的值，自己设计表格。为得到合理的反向伏安特性曲线需采集多少个点？间距是多少？（3）线性电阻器伏安特性测试（选做） 。 （4）钨丝灯泡的伏安特性测试（选做） 。6、数据处理1.分别画出 PN 结正、反向伏安特性曲线2.画出稳压二极管的反向伏安特性曲线七、思考题：（1）在实验中，分别用电流表外接、内接得到的正向、反向伏安特性曲线有什么区别？哪种接法更合理？已知电流表内阻约为 98。（2）稳压二极管反向伏安特性曲线与 PN 结反向伏安特性曲线有什么区别？稳压二极管是如何实现稳压的？答：（1）电流表内接电路电流读数准确，电压表读数中因附加有电流表的内阻电压不够准确。电流表外接电路电压表读
9、数准确，电流表读数中因附加有电压表的内阻电流不够准确。测量稳压二极管反向伏安特性时，外接电压未达到稳压二极管的稳压值时,关键是测量出反向漏电流,而且这时电压变化时漏电流变化很小,只要准确测量出漏电流的大小即可。所以应采用电流表内接电路。外接电压达到稳压值后,关键是测量出稳压值以及稳压值随电流变化的情况,这时电流变化时电压变化很小,只要准确测量出电压即可。所以应采用电流表外接电路。（2）稳压二极管的反向特性曲线与 PN 结的反向特性曲线非常接近，因为二极管内部实质就是一个 PN 结，但也有区别：主要就是在那个击穿区。稳压二极管的击穿区，特性曲线的斜率比较大，近似垂直，这样就意味着，当反向电流增大
10、时，反向电压的变动幅度不大；而 PN 结，斜率相对要小，这就意味着，随着反向电流增大，其实稳压效果很差，即反向电压会在一个相对较宽的范围内波动。稳压二极管就是依靠二极管的反向击穿特性工作的，要正常工作必须满足两个条件：1、外部所施加的反向电压必须大于稳压管的稳定电压；2、稳压管通过的反向电流必须在合理范围内，即最小稳定电流至最大稳定电流之间。八、实验结果与讨论： 指导教师批阅意见：成绩评定：指导教师签字：年 月 日预习（20 分）操作及记录（40 分）数据处理与结果陈述 30 分思考题10 分报告整体印 象总分备注：注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后 10 日内。
