pn结实验报告_原创文档.docx

研究报告

PAGE

1-

pn结实验报告

一、实验目的

1.了解PN结的基本原理

PN结是半导体物理学中的一个重要概念，它是通过将P型半导体和N型半导体结合在一起而形成的。P型半导体中掺杂了接受电子的杂质，而N型半导体中掺杂了提供电子的杂质。当P型半导体和N型半导体接触时，在接触区域会形成PN结。在PN结的内部，由于电荷的扩散和复合，会形成一个内建电场，这个电场会阻止进一步扩散的发生。PN结的基本原理可以从以下几个方面进行理解：

首先，PN结的形成与半导体中的能带结构密切相关。在P型半导体中，由于掺杂了接受电子的杂质，其价带被填满，而导带是空的。在N型半导体中，由于掺杂了提供电子的杂质，其导带被电子填满，而价带是空的。当P型和N型半导体接触时，电子会从N型半导体向P型半导体扩散，而空穴会从P型半导体向N型半导体扩散，从而在接触区域形成电荷积累。这些电荷的积累会产生一个内建电场，这个电场会阻止电子和空穴的进一步扩散。

其次，PN结的特性表现为正向导通和反向截止。在正向偏置下，外加电压使得内建电场减弱，电子和空穴的扩散得以进行，PN结导通。而在反向偏置下，外加电压增强了内建电场，使得电子和空穴的扩散受到抑制，PN结截止。这种特性使得PN结在电子器件中扮演着重要的角色。

最后，PN结在电子器件中的应用十分广泛。PN结是二极管、晶体管等基本电子器件的核心组成部分。在二极管中，PN结用于控制电流的流动；在晶体管中，PN结用于放大信号。PN结的特性使得电子器件能够实现各种复杂的电路功能，为现代电子技术的发展提供了基础。通过对PN结基本原理的深入了解，我们可以更好地理解和设计各种电子器件，推动科技的进步。

2.掌握PN结的特性

(1)PN结的特性包括正向导通和反向截止两种状态。在正向偏置时，PN结内建电场被削弱，电子和空穴得以在PN结两侧复合，电流开始流动，此时PN结表现为低电阻状态。随着正向电压的增加，电流随之增大，但增长速度逐渐减慢，这是因为内建电场的作用。而在反向偏置时，PN结内建电场增强，阻止了电子和空穴的复合，电流非常小，几乎可以忽略不计，PN结表现出高电阻状态。

(2)PN结的正向特性表现为在一定范围内，随着正向电压的增加，正向电流呈指数增长。这种增长关系可以通过Shockley方程描述，该方程指出正向电流与正向电压和PN结的饱和电流之间的指数关系。此外，PN结的正向特性还表现为正向电压与正向电流之间的非线性关系，这种非线性使得PN结在电子电路中可以作为开关使用。

(3)PN结的反向特性主要包括反向饱和电流和反向击穿电压。在反向偏置条件下，PN结的内建电场会使得反向电流保持在一个非常低的水平，这个电流称为反向饱和电流。反向饱和电流的大小主要取决于PN结的面积和温度。当反向电压达到一定值时，PN结会进入反向击穿状态，此时电流会急剧增加，可能会损坏PN结。反向击穿电压是PN结安全工作的重要参数，它决定了PN结在电路中的稳定性和可靠性。了解PN结的反向特性对于设计电子电路和确保电路的安全运行具有重要意义。

3.学习PN结的测量方法

(1)PN结的测量方法主要包括伏安特性测试和反向饱和电流测试。伏安特性测试是通过对PN结施加正向和反向电压，测量对应的电流，从而绘制出PN结的伏安特性曲线。这种方法可以直观地观察到PN结在不同偏置下的电流变化，了解其正向导通和反向截止的特性。伏安特性测试通常使用万用表或示波器等电子测试仪器进行。

(2)反向饱和电流测试是测量PN结在反向偏置下的饱和电流。在测试过程中，需要逐渐增加反向电压，同时监测电流的变化。当反向电压达到一定值时，电流将不再随电压增加而明显变化，此时电流即为反向饱和电流。反向饱和电流的大小可以反映PN结的质量和性能。该测试方法对于评估PN结在电子电路中的应用具有重要意义。

(3)除了伏安特性和反向饱和电流测试外，还可以通过测量PN结的电容特性来评估其性能。PN结电容是指PN结在正向偏置下的电容值，它反映了PN结内部载流子的积累情况。测量PN结电容的方法有交流电桥法和频率法等。通过测量PN结电容，可以了解PN结在不同偏置下的电容变化，从而进一步研究PN结的物理特性。这些测量方法对于深入理解和优化PN结在电子器件中的应用具有重要价值。

二、实验原理

1.PN结的形成过程

(1)PN结的形成过程始于P型半导体和N型半导体的制备。P型半导体通过掺杂接受电子的杂质，如硼，使得价带中留下空穴；N型半导体则通过掺杂提供电子的杂质，如磷，使得导带中充满自由电子。当P型半导体和N型半导体接触时，由于电子和空穴的扩散运动，电子从N型半导体流向P型半导体，空穴则从P型半导体流向N型半导体。

(2)在扩散过程中，接触区域的电子和空穴逐渐耗尽，形成了一个空间电荷区，即耗尽区。在这