实验名称：PN 结正向电压温度特性的测定
1 实验目的
1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
2）掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
3）确定PN 结的测温灵敏度。
2 实验仪器
科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机
3 实验原理
3.1实验原理
PN 结是半导体器件的核心。在P （或N ）型半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N （或P ）型，这样，在两种材料交界处就形成了PN 结，它保持了两种材料之间晶格的连续性。P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大，空穴由P 区向N 区扩散，并与N 区的多子自由电子复合，在N 区产生正离子的电荷区；N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大，自由电子由N 区向P 区扩散，并与P 区的多子空穴复合，在P 区产生负离子的电荷区。P 区和N 区的电荷区之间形成电场，在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况，它阻止扩散运动的进一步加强。最终形成两种运动的动态平衡。我们把这个空间电荷区叫PN 结，有时也叫作耗尽层。根据半导体理论，通过PN 结的正向电流
e I I
kT qV s f =
（1） 式中：I f ——正向电流（mA ）；V f ——正向压降（V ）；I s ——反向饱和电流（mA ）；q
电子电量（e ）；k ——波尔兹曼常数；T ——热力学温度（K ）。
而：e T I kT V go
q B A s -=
（2）
式（2）中：V go ——能带间隙电压（V ）；A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
由（1）、（2）式经整理后，PN 结正向压降的温度灵敏度S 为：
)(q kB T f go dT f d S V V V +--== （3）
根据这一特性，PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法
本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。把待测的PN 结放置热源中，并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流，PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后，连接到自定义电压传感器来测量电压。温度传感器和电压传感器测量到的信号分别输入到500型科学工作室接口上，通过串行口与计算机连接，对电压随温度变化的数值进行实时采集。
3.2.1 温度测量方法
温度测量采用美国PASCO 公司提供的温度传感器，其温度输入与电压输出的关系式为15
.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.81
3744-⨯+⨯+⨯=---V V T （4）
根据（4）式，利用科学工作室的“实验计算机”功能，可以对温度进行实时测量。
3.2.2 电压测量方法
电压的测量采用PASCO 公司提供的电压传感器，由于采集的电压是经过放大的，因此其实际的电压输出为
A V V i （i V 为经放大后的电压，A 为放大器的放大倍数）。根据该
式，应用科学工作室的“用户自订传感器”的功能进行电压的测量。
图55—1 PN 结正向压降温度特性测定 3.3 实验内容
3.3.1 装置安装及连接
1） 按图55—1连接好实验装置。电压传感器连接到500型科学工作室的B 接口，传
感器的另外一端红色和黑色插头则分别接到电压放大器对应的红、黑输出端。恒流源的“+”输出端接到PN 结的“+”端，“-”端则连接到PN 结的“-”端。电压放大器的“+”、“-”输入端，同时分别接入恒流源的“+”、“-”输入端。
2） 待测PN 结和温度传感器则分别接入恒流源的“+”、“-”输出端。
3） 待测PN 结置入加热装置中，热敏电阻温度传感器接入科学工作室接口的C 口上。
3.3.2 电压传感器的设置
1） 熟悉PASCO 科学工作室的软件功能及使用方法。
2） 打开500型接口电源，点击科学工作室小图标，则软件自动进入工作界面。如图
55—2所示。
图55—2 科学工作室界面
3）进行科学工作室的数据采集设置。用鼠标选中模拟通道图标，按住鼠标左键并拖动
到B 接口。在传感器列表框中选择“电压传感器”，点击确定。用相同方法为C 接口选择“自订传感器”。结果如图55—2所示。
4）电压传感器的设置。鼠标移动至B 接口下的“电压传感器”图标并双击。系统默
认的电压高值为10V ，电压低值为-10V 。按图55—3所示进行相关参数的设定。在“高值”的空格中填入的数据为放大器上电压示值与放大倍数相比的结果。点击确定。
图55—3 电压传感器参数设置图 3.3.3 温度传感器的设置
1）为C 口设置一个温度传感器。
2）温度传感器的计算公式。点击科学工作室主界面“实验”下拉菜单，从下拉菜单
中选中“计算机视窗”，然后在d出的“实验计算机”（如图55—4所示）进行传感器设置。在计算名称框中填写“温度”， 简称框输入“T ”，单位框输入“℃”等字样。而后按回车键，紧接着进行计算公式编辑，在编辑框中输入计算公式：
15.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.813744-⨯+⨯+⨯=---V V T
式中的指数、对数可从)(x f 的标准函数取得，电压输入V 可从点击Input 键后连接到接口C ，并选中电压传感器，公式编辑好再按回车键，计算机便可把“C ”口采到温度传感器的输出电压输入到公式中进行计算并给出计算结果。
图55—4 实验计算机
3.3.4 数据采集及数据显示的设置
把二维图表拖入到B 或C 口，横坐标轴选“实验计算机”，纵坐标轴选电压V 。用鼠标点采样选项，单选项点慢，采样周期为5秒左右。
3.3.5 PN 结正向压降温度特性的测定
1） 待测样品选择二极管，接入恒流源。打开恒流源开关，调节其输出使二极管饱导
通。
2） 双击REC 图标，计算机开始进行数据采集，接通加热装置电源，使其温度从低到
高慢慢升高，观察计算机显示的V B ~T 关系曲线。当温度接近90 0C 时，用鼠标点击“Stop ”图标停止数据采集，同时断开加热装置的开关停止加热。
3）在曲线上确定两点，用坐标测量工具测量对应的数据。
4 教学内容
1．简要讲解实验原理（PN 结半导体器件的工作原理）。
2．介绍有关仪器及其使用方法（温度传感器与电压传感器的使用），在讲解科学工作室
的使用时结合提问题检查学生的预习情况，让学生学会用实验计算机来设定非线性输入输出
表一 锗管正向压降随温度变化数据I= 1 mA
的用户自定义传感器的各项参数。
3．讲解实验 *** 作要领及 *** 作难点。
①恒流源的恒定电流I =1mA(锗管)或I =2~8mA(硅管)，不宜太大太小，恒流源不宜空
载，在更换二极管时，一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探头、PN 结与加热器接触良好。
②用投影仪边演示边让学生学习使用500型科学工作室， *** 作上要注意软件的接口连接
及设置。
4．检查学生实验状况及测量结果，并给出相应的评定结果。
5．根据评分标准批改实验报告并给出成绩。
5 实验教学组织及教学要求
1． 教学组织
1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有
一定的感性认识。
2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生
对实验原理的理解。
3） 随时注意学生的实验 *** 作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。
4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。
2． 教学要求
1） 了解PN 结半导体器件的工作原理。
2） 培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力。
3） 培养学生会使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的
用户自定义传感器的各项参数。
6 实验教学重点及难点
1）重点：PN 结正向压降温度特性的测定。
2）难点：熟练使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户
自定义传感器的各项参数。
7 实验中容易出现的问题
1）实验计算机中的公式输入。
2）传感器的各项设置。
3）与加热器的各接触点不够紧密。
8 实验参考数据
.
001648.0812.4808042.0559.31371.8033761.025719.0-=-=--=∆∆=T V k (v/℃)
5101.4300005.02322-⨯=⨯=∆=
=mv Bv v U U （v ）
3
101.43005
.02322-⨯=⨯=∆==mT
BT T U U （℃）
T （℃） V （v ） 2a (v/℃)
31.559 0.33761 -0.0016533
80.371 0.25719
44232522105102.5812.48101.408042.0101.4----⨯=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=T U V U E T v k
774109106.8102.5001648.0---⨯=⨯=⨯⨯==k k kE U (v/℃)
%
05.0)(10)001.0648.1(3=⨯±=±=-k k E C V U k k (P=0.683)
9 检查采集到的PN 结正向压降随温度变化分布图是否合理。 10 课堂实验预习检查题目
1） 学生预习报告是否完整（实验项目、实验目的、实验原理、实验步骤、记录表格等）？
2） PASCO 科学工作室的有关设置及使用，B 、C 口分别接什么传感器？用于测定什么
物理量？
3） 铜柱体的三个小孔为什么在同一个同心圆上？
11 思考题
1） 比较用户自定义和实验计算机两种传感器定义方法异同点？何时使用实验计算机
进行传感器的定义？
2） 测量值的不确定度如何确定？示值误差如何确定？
3） 通过PN 结的电流大小是非常重要的参数，试分析其对测温灵敏度的影响？
实验注意事项：1）加热后的铜柱不能用手直接接触，避免烫伤手等。
2）PN 结测件两接线柱不能接触铜块。
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大学物理实验报告实验55PN结正向电压温度特性的测定
大学物理实验教案
实验名称：PN 结正向电压温度特性的测定
1 实验目的
1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
2）掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
3）确定PN 结的测温灵敏度。
2 实验仪器
科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机
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3 实验原理
3.1实验原理
PN 结是半导体器件的核心。在P （或N ）型半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N （或P ）型，这样，在两种材料交界处就形成了PN 结，它保持了两种材料之间晶格的连续性。P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大，空穴由P 区向N 区扩散，并与N 区的多子自由电子复合，在N 区产生正离子的电荷区；N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大，自由电子由N 区向P 区扩散，并与P 区的多子空穴复合，在P 区产生负离子的电荷区。P 区和N 区的电荷区之间形成电场，在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况，它阻止扩散运动的进一步加强。最终形成两种运动的动态平衡。我们把这个空间电荷区叫PN 结，有时也叫作耗尽层。根据半导体理论，通过PN 结的正向电流
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e I I
kT qV s f =
（1） 式中：I f ——正向电流（mA ）；V f ——正向压降（V ）；I s ——反向饱和电流（mA ）；q
电子电量（e ）；k ——波尔兹曼常数；T ——热力学温度（K ）。
而：e T I kT V go
q B A s -=
（2）
式（2）中：V go ——能带间隙电压（V ）；A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
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由（1）、（2）式经整理后，PN 结正向压降的温度灵敏度S 为：
)(q kB T f go dT f d S V V V +--== （3）
根据这一特性，PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法
本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。把待测的PN 结放置热源中，并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流，PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后，连接到自定义电压传感器来测量电压。温度传感器和电压传感器测量到的信号分别输入到500型科学工作室接口上，通过串行口与计算机连接，对电压随温度变化的数值进行实时采集。
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3.2.1 温度测量方法
温度测量采用美国PASCO 公司提供的温度传感器，其温度输入与电压输出的关系式为15
.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.81
3744-⨯+⨯+⨯=---V V T （4）
根据（4）式，利用科学工作室的“实验计算机”功能，可以对温度进行实时测量。
3.2.2 电压测量方法
电压的测量采用PASCO 公司提供的电压传感器，由于采集的电压是经过放大的，因此其实际的电压输出为
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A V V i （i V 为经放大后的电压，A 为放大器的放大倍数）。根据该
式，应用科学工作室的“用户自订传感器”的功能进行电压的测量。
图55—1 PN 结正向压降温度特性测定 3.3 实验内容
3.3.1 装置安装及连接
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1） 按图55—1连接好实验装置。电压传感器连接到500型科学工作室的B 接口，传
感器的另外一端红色和黑色插头则分别接到电压放大器对应的红、黑输出端。恒流源的“+”输出端接到PN 结的“+”端，“-”端则连接到PN 结的“-”端。电压放大器的“+”、“-”输入端，同时分别接入恒流源的“+”、“-”输入端。
2） 待测PN 结和温度传感器则分别接入恒流源的“+”、“-”输出端。
3） 待测PN 结置入加热装置中，热敏电阻温度传感器接入科学工作室接口的C 口上。
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3.3.2 电压传感器的设置
1） 熟悉PASCO 科学工作室的软件功能及使用方法。
2） 打开500型接口电源，点击科学工作室小图标，则软件自动进入工作界面。如图
55—2所示。
图55—2 科学工作室界面
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3）进行科学工作室的数据采集设置。用鼠标选中模拟通道图标，按住鼠标左键并拖动
到B 接口。在传感器列表框中选择“电压传感器”，点击确定。用相同方法为C 接口选择“自订传感器”。结果如图55—2所示。
4）电压传感器的设置。鼠标移动至B 接口下的“电压传感器”图标并双击。系统默
认的电压高值为10V ，电压低值为-10V 。按图55—3所示进行相关参数的设定。在“高值”的空格中填入的数据为放大器上电压示值与放大倍数相比的结果。点击确定。
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图55—3 电压传感器参数设置图 3.3.3 温度传感器的设置
1）为C 口设置一个温度传感器。
2）温度传感器的计算公式。点击科学工作室主界面“实验”下拉菜单，从下拉菜单
中选中“计算机视窗”，然后在d出的“实验计算机”（如图55—4所示）进行传感器设置。在计算名称框中填写“温度”， 简称框输入“T ”，单位框输入“℃”等字样。而后按回车键，紧接着进行计算公式编辑，在编辑框中输入计算公式：
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15.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.813744-⨯+⨯+⨯=---V V T
式中的指数、对数可从)(x f 的标准函数取得，电压输入V 可从点击Input 键后连接到接口C ，并选中电压传感器，公式编辑好再按回车键，计算机便可把“C ”口采到温度传感器的输出电压输入到公式中进行计算并给出计算结果。
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图55—4 实验计算机
3.3.4 数据采集及数据显示的设置
把二维图表拖入到B 或C 口，横坐标轴选“实验计算机”，纵坐标轴选电压V 。用鼠标点采样选项，单选项点慢，采样周期为5秒左右。
3.3.5 PN 结正向压降温度特性的测定
1） 待测样品选择二极管，接入恒流源。打开恒流源开关，调节其输出使二极管饱导
通。
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2） 双击REC 图标，计算机开始进行数据采集，接通加热装置电源，使其温度从低到
高慢慢升高，观察计算机显示的V B ~T 关系曲线。当温度接近90 0C 时，用鼠标点击“Stop ”图标停止数据采集，同时断开加热装置的开关停止加热。
3）在曲线上确定两点，用坐标测量工具测量对应的数据。
4 教学内容
1．简要讲解实验原理（PN 结半导体器件的工作原理）。
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2．介绍有关仪器及其使用方法（温度传感器与电压传感器的使用），在讲解科学工作室
的使用时结合提问题检查学生的预习情况，让学生学会用实验计算机来设定非线性输入输出
表一 锗管正向压降随温度变化数据I= 1 mA
的用户自定义传感器的各项参数。
3．讲解实验 *** 作要领及 *** 作难点。
①恒流源的恒定电流I =1mA(锗管)或I =2~8mA(硅管)，不宜太大太小，恒流源不宜空
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载，在更换二极管时，一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探头、PN 结与加热器接触良好。
②用投影仪边演示边让学生学习使用500型科学工作室， *** 作上要注意软件的接口连接
及设置。
4．检查学生实验状况及测量结果，并给出相应的评定结果。
5．根据评分标准批改实验报告并给出成绩。
5 实验教学组织及教学要求
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1． 教学组织
1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有
一定的感性认识。
2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生
对实验原理的理解。
3） 随时注意学生的实验 *** 作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。
4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。
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2． 教学要求
1） 了解PN 结半导体器件的工作原理。
2） 培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力。
3） 培养学生会使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的
用户自定义传感器的各项参数。
6 实验教学重点及难点
1）重点：PN 结正向压降温度特性的测定。
2）难点：熟练使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户
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自定义传感器的各项参数。
7 实验中容易出现的问题
1）实验计算机中的公式输入。
2）传感器的各项设置。
3）与加热器的各接触点不够紧密。
8 实验参考数据
.
001648.0812.4808042.0559.31371.8033761.025719.0-=-=--=∆∆=T V k (v/℃)
5101.4300005.02322-⨯=⨯=∆=
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=mv Bv v U U （v ）
3
101.43005
.02322-⨯=⨯=∆==mT
BT T U U （℃）
T （℃） V （v ） 2a (v/℃)
31.559 0.33761 -0.0016533
80.371 0.25719
44232522105102.5812.48101.408042.0101.4----⨯=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=T U V U E T v k
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774109106.8102.5001648.0---⨯=⨯=⨯⨯==k k kE U (v/℃)
%
05.0)(10)001.0648.1(3=⨯±=±=-k k E C V U k k (P=0.683)
9 检查采集到的PN 结正向压降随温度变化分布图是否合理。 10 课堂实验预习检查题目
1） 学生预习报告是否完整（实验项目、实验目的、实验原理、实验步骤、记录表格等）？
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2） PASCO 科学工作室的有关设置及使用，B 、C 口分别接什么传感器？用于测定什么
物理量？
3） 铜柱体的三个小孔为什么在同一个同心圆上？
11 思考题
1） 比较用户自定义和实验计算机两种传感器定义方法异同点？何时使用实验计算机
进行传感器的定义？
2） 测量值的不确定度如何确定？示值误差如何确定？
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3） 通过PN 结的电流大小是非常重要的参数，试分析其对测温灵敏度的影响？
实验注意事项：1）加热后的铜柱不能用手直接接触，避免烫伤手等。
2）PN 结测件两接线柱不能接触铜块
什么是PASCO
我们所说的PASCO即是PASCO实验平台是美国专业物理教学仪器生产商PASCO公司的产品。
2. PASCO实验平台简介
它是一个将计 算机数据采集与分析应用于物理实验的系统，运用现代电子技术，采用传感器进行数据采集，电脑进行过程控制和数据处理，尤其是对一些瞬态变化的物理量能做到实时测量...(查看更多)，对一些不易观察的物理现象能实现感官展示。为了配合其计算机接口、传感器和实验软件的使用，PASCO公司自己开发了一系 列实验项目，包括一些典型的普通物理实验以及一些综合性实验。利用这些现成的实验项目，是目前各个学校使用PASCO实验平台开展实验室工作的主 要形式。
3. 主要应用（ 我所知道的）
1）交直流电子学组合实验
验证欧姆定律，RC电路电流电压的关系放大电路等大学电路书里那堆东东
2）微波光学组合实验
观察验证干涉衍射等物理光学的那堆现象
看明白没其实就是简单的电路，物理实验，只是用了一家外国公司的设备起了一个看上去很“专业”的名字！
http://george.ph.utexas.edu/~meyrath/informal/laser%20diode.pdfhttp://www.pd-ld.com/pdf/VisibleSeries.PDF
http://hug.phys.huji.ac.il/PHYS_HUG/MAABADA/MABADA_A/Pasco/ci/os-8525a/012-07892a/012-07892a.pdf
http://www.eio.com/repairfaq/sam/sgld1sch.pdf
http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-772Spring2003/4280DDF2-A97F-4AFB-96B2-6ECD805A2B5E/0/Lecture21v2.pdf
http://www.jaycar.com.au/images_uploaded/ledlaser.pdf
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