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时间:2018-07-28
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1、课程编号得分教师签名批改日期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: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
2、对待。 通过本实验激发试验者的空间想象,逻辑推理能力,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
3、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-
4、)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(I>0),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
5、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(I<0),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PN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
6、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
7、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1cm²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
8、.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.被测元件四、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
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