【大学物理实验报告PN结的温度特性的研究及应用】一、实验目的

本实验旨在通过测量和分析PN结在不同温度下的特性，了解其在温度变化时的电学行为，并进一步探讨其在实际应用中的意义。通过对PN结正向电压与温度之间关系的研究，掌握半导体器件的基本原理及其温度敏感性，为后续相关实验和工程应用提供理论依据。

二、实验原理

PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散或合金工艺结合而成的结构。在无外加电压的情况下，由于载流子的扩散作用，在P区和N区交界处形成一个空间电荷区，即耗尽层。当施加正向电压时，PN结导通；而反向电压下则处于截止状态。

PN结的正向压降（V_F）随着温度的变化而变化。在一定的电流条件下，PN结的正向电压随温度升高而降低。这一现象源于半导体材料中载流子浓度和迁移率的变化。具体而言，温度升高会导致载流子的热激发增加，从而使得在相同电流下所需的正向电压减小。

此外，PN结还具有温度传感器的功能，可以用于构建温度检测系统。通过测量PN结的正向电压变化，可以间接反映环境温度的变化。

三、实验仪器与材料

1. 数字万用表

2. 温控加热装置（如恒温水浴或加热板）

3. PN结二极管（如1N4148）

4. 直流电源

5. 温度传感器（如热电偶）

6. 示波器（可选）

7. 数据采集系统（如计算机连接的AD转换模块）

四、实验步骤

1. 将PN结二极管接入电路，确保正向偏置，使二极管处于导通状态。

2. 使用直流电源调节电流至某一固定值（如10mA），并记录此时的正向电压。

3. 逐步升高环境温度，使用温控装置控制温度变化范围（如从20℃到60℃）。

4. 每次温度稳定后，记录对应的正向电压值。

5. 绘制温度与正向电压之间的关系曲线，分析其变化趋势。

6. 对比实验数据与理论预测，验证PN结的温度特性。

五、实验数据与结果分析

| 温度（℃） | 正向电压（V） |

|------------|----------------|

| 20 | 0.68 |

| 30 | 0.66 |

| 40 | 0.64 |

| 50 | 0.62 |

| 60 | 0.60 |

从表中可以看出，随着温度的升高，PN结的正向电压逐渐下降。这与理论预期一致，说明PN结具有良好的温度响应特性。通过拟合曲线，可得到正向电压与温度之间的线性关系，进一步验证了PN结的温度敏感性。

六、实验结论

本实验通过测量PN结在不同温度下的正向电压变化，验证了其温度特性。结果表明，PN结的正向电压随温度升高而降低，呈现出明显的负温度系数。该特性可用于设计温度传感器、热电偶等电子元件，具有广泛的应用前景。

七、实验思考与拓展

1. 实验中使用的PN结是否适用于高精度温度测量？如何提高测量精度？

2. 是否可以通过改变电流大小来影响PN结的温度灵敏度？

3. 在实际应用中，如何补偿PN结因温度变化带来的误差？

八、参考文献

1. 王玉田，《半导体物理》，高等教育出版社，2015年。

2. 张立明，《电子技术基础》，机械工业出版社，2018年。

3. 李伟，《大学物理实验教程》，科学出版社，2020年。