结伏安特性研究

PN结作为半导体最基本的核心器件，得到广泛的应用。在常见的电路中，可作为整流管、稳压管；在传感器方面，可以作为温度传感器、发光二极管和光敏二极管等。单向导电是PN结最基本的特性。

【实验目的】

（1）研究PN结正向压降随正向电流变化的规律，绘制伏安特性曲线。

（2）学会利用Excel拟合数据得到指数函数模型，并计算玻尔兹曼常数。

【实验原理】

加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。电压u＞0的部分称为正向特性；电压u＜0的部分称为反向特性。PN结的伏安特性（外特性）如图 3-37所示，它直观、形象地表示了PN结的单向导电性。

PN结的导电特性是无论加上正向电压还是反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大。在本次实验中，要用伏安法测绘PN结的正向导电特性曲线。

图3-37　PN结的伏安特性曲线

理想条件下，PN结的正向电流随正向压降按指数规律变化。其正向电流IF和正向电压UF存在如下近似关系，即

【实验仪器】

温度传感器、PN结温控仪与实验仪。

【实验内容】

（1）将DH_SJ型温度传感器实验装置上的“加热电流”开关和“风扇电流”开关均置于“关”的位置，接好加热电源线。

（2）将Pt100温度传感器和PN结插入加热炉孔中。接好Pt100和PN结与温度传感器实验装置及PN结正向特性综合实验仪的连线。注意插头颜色一定要与插孔颜色一致。

（3）打开温度传感器实验装置和PN结正向特性综合实验仪电源开关，记录相应的室温tR。

（4）测量室温下，正向电压UF随正向电流IF的变化关系，绘制伏安特性曲线。

①选择合适的IF倍率（测量中根据需要进行调整），按表3-30测定UF和IF值。

②在坐标纸（或Excel表）上绘制出PN结的伏安特性曲线。

（5）根据所测数据计算出玻尔兹曼常数k，并与标准值相比较，计算相对误差。

（6）本实验采用部分数据进行Excel拟合曲线方法演示。

①在Excel一个工作表中输入正向电压（X轴）和正向电流（Y轴）两列数据，单击鼠标左键选中数据，依次单击Excel表菜单中的【插入】→【图表】→【标准类型】→【XY散点图】→默认【子图表类型】→【下一步】→【下一步】→【下一步】→【完成】，得到图 3-38。

图3-38　正向电压和正向电流实验数据散点图

在设置过程中省略了图标选项、网格线等内容，自己可以根据需要设置。

②完成以上设置后，在产生的图表中右键单击任一数据点，在弹出的快捷菜单中选择【添加趋势线】命令，在弹出对话框中依次单击【类型】→【指数】→【选项】→【显示公式】→【确定】，得到图3-39。

图3-39　伏安特性曲线拟合图

【注意事项】

（1）接线与拆线时一定要捏住连线的手柄部分，不要用力过猛。

（2）插头颜色一定要和插孔颜色一致。

（3）注意正确读取有效数字。

【数据处理】

将PN结综合实验仪上的电流量程置于“×1”挡，按表3-30给定的UF值来调节设定电流值，若电流表显示值达到1 000，则增加一挡量程。

表3-30　室温下正向电压（mV）与正向电流（μA）的关系，T=________ ℃

【思考题】

PN结伏安特性曲线的最大特点是什么？