半導體的特性

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半導體的特性范文第1篇

關鍵詞：太陽能電池，開路電壓，短路電流，溫度特性

1、 引言

太陽能光伏發電技術是現階段最具前途的發電技術。太陽能電池作為光伏發電的電源裝置，其特性測試對提高其生產工藝水平和性能研究有重要的參考價值。然而太陽能電池發電的過程是個放熱過程，溫度的升高會降低硅半導體的禁帶寬度，使其伏安特性變差。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓明顯減小，而短路電流略有上升，太陽能電池轉換效率降低【1】。因此，溫度是影響太陽能電池光電轉換效率的重要因素之一，要提高太陽能的發電效率，必然避不開對溫度特性的研究。

傳統太陽能池特性測量的實驗裝置，主要研究太陽能電池的光照特性、I-V特性和負載特性，無法對溫度特性進行測量。本文研制了基于半導體制冷片的溫度控制裝置，并在此基礎上，測量不同溫度條件下太陽能電池光照特性、I-V特性等參數的變化情況。

2、 原理

2.1太陽能電池

太陽能電池的主要結構是PN結，在沒有光照時其特性可視為一個二極管，由二極管特性，可得到二極管電流Id為：

（1）

式中：IS為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子電量，V為結電壓。

當光照射在太陽能電池表面的PN結上時，只要入射光子的能量大于半導體材料的能隙，則光子被太陽能電池吸收而產生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內電場的影響而產生光電流。以恒定速率產生的電子-空穴對提供了通過PN結的電流，如圖1所示，EC為半導體導電帶，EV為半導體價電帶。

太陽能電池輸出的凈電流I是其光生電流和二極管電流之差，如圖2所示，故光照條件下太陽能電池的伏安特性可表示為：

（2）

當太陽能電池的輸出端短路時，即V=0，由（2）式可得到短路電流：ISC=Iph

當太陽能電池的輸出端開路時，即I=0，意味著Iph=Id，由（2）式可得到開路電壓：

（3）

填充因子是太陽能電池的一個重要指標，其定義為最大功率與開路電壓與短路電流

（4）

隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流略微增加，而開路電壓和填充因子線性減小，導致輸出功率和轉換效率隨溫度升高而下降。

2.2半導體制冷原理

半導體制冷是以溫差電現象為基礎的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應的逆效應-“帕爾帖”效應的原理達到制冷目的。將兩種不同半導體材料組成兩個接點，形成閉合回路，如果兩接點的溫度不同時，就會在回路中產生一個電勢差，這種現象稱為溫差電效應，也稱為塞貝克效應。反之，在兩種不同半導體組成的閉合回路中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一個接點變熱，從而形成溫差，這稱為“帕爾帖”效應。因此，通過控制電流的方向和大小，可以實現制冷/加熱的目的。半導體制冷的優點在于無制冷劑，無噪聲，不污染環境，體積小，重量輕，而且可電流反向加熱，非常方便地實現冷卻和加熱兩種目的。

3、 實驗系統結構框圖

實驗系統主要由光源、太陽能電池板、制冷模塊和溫顯模塊等部分組成，如圖3所示。實驗采用3個制冷模塊，并分別在單個模塊工作、兩個模塊工作和三個模塊全部工作的情況下實現對太陽能電池板工作環境溫度的改變，并用溫度顯示模塊記錄高、中、低三個不同的實驗溫度。

3.1光源

為較好的模擬太陽光，白光光源選用碘鎢燈，其發光光譜跟太陽光的光譜較為接近；基于現有實驗條件，太陽能電池板選用普通單晶硅太陽能電池，其受光面積為150*150mm。這里光源和電池板采用FB736A型太陽能電池特性研究實驗儀里的配件，可直接使用。

3.2制冷模塊

半導體制冷器的基本元件是熱電偶對，在帕爾貼效應的基礎上實現的。本實驗選用半導體制冷片TEC1-12706作為制冷元件，該制冷片最大產冷功率為58W，最大工作電壓為15V，最大工作電流為5.8A，最大溫差為67℃。要達到較好的制冷效果，除選用合適的電壓電流外，熱端要有良好的散熱條件，冷端也要有良好的導冷條件。如圖4所示，這里散熱器采用純銅導熱管中加入制冷凝液，配合鋁合金散熱陣列，可更快傳遞熱量，提高制冷效率。

3.3溫度顯示模塊

溫度顯示模塊由數顯溫度控制器與溫度傳感器探頭組成，采用深圳興達恒業科技的XD-W2308數顯溫控器和NTC熱敏電阻溫度傳感器。該溫控器測量精度為±0.1℃，測溫范圍可達-55℃～120℃，刷新頻率0.2S，環境要求為-10℃～60℃，濕度要求20%～85%，可以滿足本實驗使用。選擇熱敏電阻作為本實驗的溫度傳感器是因為熱敏電阻具有高穩定性、小尺寸、靈敏和價格低等優點，每攝氏度可以改變幾百歐姆，靈敏度比熱電偶來得高。

4、 實驗方法與結果

4.1測量不同溫度下太陽能電池的光照特性：

把太陽能電池放在距離白光光源X0=20cm的水平距離接收到的光照強度作為標準光照強度J0，然后改變太陽能電池到光源的距離Xi，根據光照強度和距離成反比的原理，計算出各點對應的相對光照強度J/J0=X0/Xi的數值，分別在單個制冷模塊工作、兩個制冷模塊工作和三個制冷模塊工作的情況下，測量不同溫度下太陽能電池的短路電流ISC和開路電壓UOC與相對光強的函數關系。

測量結果如圖5和圖6所示：隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流增加，開路電壓減小。這是因為溫度的升高降低了材料的禁帶寬度，使更多的光子激發電子躍遷，進而產生更大的光生電流；另一方面，溫度的上升使太陽能電池的暗電流呈指數增大，而開路電壓隨著暗電流的增加而降低，所以開路電壓隨著溫度升高而減小，且開路電壓減小的程度要大于短路電流增加的程度。

4.2測量不同溫度下太陽能電池的I-V特性：

將太陽能電池作為電源與負載連成一個回路，在白光光源照射下，測量太陽能電池在不同負載電阻下，太陽能電池的輸出電流I對輸出電壓U的變化關系曲線。分別在單個制冷模塊工作、兩個制冷模塊工作和三個制冷模塊工作的情況下，三次測量太陽能電池的I-V特性，測量結果如圖7所示。同時可得到太陽能電池的最大輸出功率值及其對應的負載電阻，如圖8所示。

5、結束語

溫度是影響太陽能電池效率的一個重要因素。本文設計了基于半導體制冷片的太陽能電池溫度特性實驗，實驗結果很好的驗證了溫度對太陽能電池光照特性的影響：溫度升高使得太陽能電池短路電流小幅升高，開路電壓明顯降低，光電轉換效率明顯下降。該實驗有利于學生在完成傳統太陽能電池基本特性實驗的基礎上，拓展了實驗內容，能更好的理解太陽能電池的溫度特性。

參考文獻：

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[4]李冰. 半導體制冷技術及其發展[J]. 山西科技，2009（7）：95-101.

半導體的特性范文第2篇

【關鍵詞】外腔半導體激光器；單片機；提高輸出特性；PID控制

中圖分類號：TN24

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0278（2015）06-115-01

半導體激光器的穩頻控制研究，不僅解除了半導體激光器在實際應用中的限制，而且解決了輸出頻率對其工作環境極其敏感而導致的其他不準確性，使半導體激光器的開發前景更為廣闊；接下來，筆者就以單片機的外腔半導體激光器控制系統的應用與設計做簡要分析。

一、半導體激光器的基本原理以及應用條件

半導體激光器又叫作激光二極管，工作時所使用的物質一般為半導體材料，采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，操作簡單，使用方便，受到了很多部門的青睞；半導體激光器除去激光器的共同優點之外，還有如下優點：首先，半導體激光器的體積較其他激光器小，重量也輕，操作和使用起來會比較便易；此外，雖然半導體激光器驅動功率和電流較低，但是使用效率高，這就節約了部分能源，而且工作壽命長，這就避免了因經常更換激光器而造成的巨額費用，具有很好的經濟性；最后，激光器可與半導體制造技術兼容，可以擴大生產量，而且更易于與各種光電子器件實現光電子集成；等等，正是由于這些優點，才使得半導體激光器得到了我國社會以及世界許多國家的廣泛關注，同時也致使許多國家致力于該技術的研究，所以這些年來，半導體激光器技術不僅應用廣泛，而且發展迅速，在諸多激光器的發展中搶占了先機。半導體激光器除這些優點之外，使用原理也較為簡單；由于外界環境對半導體激光器的干擾及影響較大，所以隨時間的變化，輸出頻率有著較大的變動。注入電流、工作溫度、載流子濃度、腔長、增益等都是影響激光器輸出頻率的因素，而在這諸多的影響因素中，最容易調控的是注入電流和外界的工作溫度，所以我們往往通過控制這兩個因素來提高運行頻率的穩定性，可以利用原子或分子躍遷線作為頻率標準實現激光頻率鎖定，進而使得激光頻率得以穩定，使控留模塊得以調控。

二、半導體激光器控制系統采用PID溫度控制的必要性

PID控制電路是半導體激光器溫度控制模塊中不可缺少的一部分，工作原理如下：當激光器因長期工作而發熱時，具有負溫特性的熱敏電阻就會及時的把溫度變化的信號轉換成電阻值的變化，此時的熱敏電阻充當溫度傳感器的作用，由此，便可測出電壓的變化，然后再用該變化同起初設定的高精度基準溫度的電壓相互比較，再將比較結果經過高精密的差分信號處理后的電路放大，進一步保證了激光器溫度控制電路中的高精度；為保證系統具有良好的穩定性，及其良好的動態特性，再將放大的信號轉入到比例一積分一微分的控制電路中，并且該電路不僅應該具有穩定性能指標，還應該滿足閉環系統瞬態的特性，最后，再根據半導體制冷器所需要的電流，制冷器再按照其要求完成半導體激光器的冷卻或加熱，由此，該系統便可形成閉環反饋系統，保證了半導體激光器能夠在恒溫下進行，從而消除外界環境多變的溫度的影響。

三、半導體激光器控制系統的設計要求

輸入系統電流的穩定性對半導體激光器的輸出信號有非常重要的影響，這是因為，半導體激光器的正常工作是依靠載流子的直接注入來完成的，這就要求該系統具有較好的穩定性，不僅工作電流要有較高的穩定性，而且驅動電源也應該是一個恒流源；與注入電流相比，溫度對輸出光頻率的影響要大，當半導體激光器中的內部溫度升高時，輸出功率反而會變小，而在干涉測量的試驗中，就要求輸出功率有非常高的穩定性，從而避免引發模式跳躍現象；為保證半導體激光器的內部穩定性，要將溫度變化控制在0.05度以內，因為在這個范圍內溫度的變化可以忽略不計，對系統的穩定性的影響也可以認為不存在。

半導體的特性范文第3篇

關鍵詞半導體；材料；芯片；發展；應用；技術；

中圖分類號：O471 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

自然界中的物質，根據其導電性能的差異可劃分為導電性能良好的導體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質。它的導電能力會隨溫度、光照及摻入雜質的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，這是其廣泛應用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據。

一、半導體材料的概念與特性

當今，以半導體材料為芯片的各種產品普遍進入人們的生活，如電視機，電子計算機，電子表，半導體收音機等都已經成為我們日常所不可缺少的家用電器。 半導體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用， 這需要我們從了解半導體材料的概念和特性開始。

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類物質，在某些情形下具有導體的性質。 半導體材料廣泛的應用源于它們獨特的性質。 首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發就是利用了這個特性；其次，雜質參入對半導體的性質起著決定性的作用，它們可使半導體的特性多樣化，使得 PN 結形成，進而制作出各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷器等； 半導體基片可以實現元器件集中制作在一個芯片上，于是產生了各種規模的集成電路。 這種種特性使得半導體獲得各種各樣的用途， 在科技的發展和人們的生活中都起到十分重要的作用。

二、幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

（一）硅材料

硅材料是半導體中應用廣泛的一類材料，目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC's）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC'S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

（二）GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

（三）半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

（四）一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμ蘭左右，單管室溫連續輸出功率高達3．6～4W。1.5 寬帶隙半導體材料寬帶隙半導體材料主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED)和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。

三、半導體材料發展的幾點建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需求。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料。

（一）超晶格、量子阱材料

從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

（二）一維和零維半導體材料的發展設想

基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

結束語

隨著信息技術的快速發展和各種電子器件、 產品等要求不斷的提高， 半導體材料在未來的發展中依然起著重要的作用。 在經過以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導體材料發展歷程后，第三代半導體材料的成為了當前的研究熱點。 我們應當在兼顧第一代和第二代半導體發展的同時， 加速發展第三代半導體材料。 目前的半導體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進。 隨著微電子時代向光電子時代逐漸過渡， 我們需要進一步提高半導體技術和產業的研究，開創出半導體材料的新領域。 相信不久的將來，通過各種半導體材料的不斷探究和應用，我們的科技、產品、生活等方面定能得到巨大的提高和發展！

參考文獻

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［3］彭杰.淺析幾種半導體材料的應用與發展［J］.硅谷, 2008,(10).

半導體的特性范文第4篇

【關鍵詞】半導體發光二極管 負電容 特性 影響

由于半導體二極管的應用范圍廣，其作用也十分明顯，使得其電特性研究一直是人們關注的重點。在對半導體二極管的測量中，傳統的I-V測量法仍然是現在評價二極管測量器件與電特性的基本方法，但是目前的I-V分析法需要在某些假設的基礎上才可以成立，存在一定的局限性，加上傳統的C-V方法和各種電容譜方法都需要在反向偏低下的耗盡層模型基礎上實現，并且僅僅涉及到了電容譜，還由于不同二極管的負電容特性在社會中解釋有較大的出入，所以需要進一步的對半導體二極管負電容現象進行研究。

1 實驗樣品與測試的設備

本文測試中所用到的實驗樣品和測試設備如下，其中的1#-5#樣品是GaN藍光發光二極管，采用的是金屬有機氣相外延法，首先在厚約2.4μm，載流子濃度為2.5×1018cm-3的n-GaN上生長InGaN/GaN量子阱，接著生長一層p-AlGaN，最后生長一層p-GaN，隨后將透明電極與p-GaN一起在800℃下進行退火激活，至于N電極則采用Ti/Au金屬化的方法，將其在550℃的溫度下進行退火激活，時間大概為10s，P電極采用的是Ni/Au的金屬化方法，并在500℃的氮氣環境下退火激活，時間大概為3min。半導體二極管的結面積是280μm×280μm，其余的試樣樣品都為采購的商業用的發光二極管[2]。

對于1#與2#中發光二極管的表觀電容和表觀電導的測量，采用的是HP4284A LCR Meter測量設備，其他的樣品采用的是常州同慧電子有限責任公司提供的TH2819 Precisiom LCR Meter，對所有的樣品測量時都采用并聯等效測試電路，測量時利用HP4140B參數分析儀測量樣品的I-V特性，至于交流電壓調制發光測試和低頻特性的發光測試采用的是交流小信號電壓調制發光設備與低頻交流測試設備，核心儀器為7265 DSP Lock-In Amplifier。所以的樣品測量時都在同一環境下同一溫度下進行。

2 測試的結果分析

2.1 1 #樣品組測試結果

1#樣品組在3.5v偏壓下結電容和表觀電容的關系圖如圖1顯示。

從上述的結果可以看出，1#樣品組的正向偏壓越大和頻率越低，出現負電容現象越突出，只要偏壓足夠的大，在1MHZ以下的測試頻率下，結電容與表觀電容最終都會是負值。此外，還可以看出，計算的結電容的值的絕對值要比直接并聯測量的圖1表觀值的絕對值要大，并且兩者之間的差距會隨著正向偏壓的增加而增加，從這里可以得出在較大的偏壓情況下，表觀電容與結電容有較大的差別，不能將兩者混為一談。

從測試的結果來看，2#樣品組在不同頻率下的并聯表觀電容與結電容隨著偏壓的變化和1#測試組沒有明顯的差異，基本上負電容和偏壓變化的規律和1#樣品組大體相同，但是從圖中也能夠看出一些不同的地方，即2#樣品組在低頻時，正電容出現的下降過程呈現出臺階式，這種情況在1#組并沒有，這說明了2#樣品組在低頻時正向偏壓增大先慢慢的上升，當正向偏壓到2.2v左右時快速的下降，隨后又波動性的上升，當正向偏壓增大到2.8v時，緩慢的降低，最終成為負值，而1#樣品組的電容從正值開始就一直下降，直到變成負值，中間并沒有波動上升的過程。

3 發光特性測試結果

通過對1#組和2#組樣品的發光特性進行測試，發現1#組的樣品電壓調制發光的強度隨著正向偏壓的增大而發光強度越強，當正向電壓較小，發光并不明顯，當正向電壓到2.6v時，開始明顯的發光，隨后慢慢增強，但當電壓到3.5v左右時，發光的強度開始下降。分析得出，在2.6v時，電壓值比開始出現的負電容電壓要小，在低頻相同偏壓下，發光強，負電容也強，但是隨著頻率不斷升高，發光和負電容明顯下降，使得在較高的頻率下，負電容效應弱，發光弱。對于2#組，在1kHz的頻率下，發光較強的電壓從3.6v開始，這要比開始出現負電壓的電壓要低，隨著頻率不斷上升，發光強度逐漸減弱，在100kHz時，沒有明顯的發光現象。這些現象和1#樣品組的測試結果較為一致，不同的是2#樣品組的發光曲線在低頻小電壓范圍中會出現一個小發光峰，這點區別于1#樣品組.。

4 結束語

通過上述的試驗結果可以看出，在一定的測試頻率范圍中，在小正向偏壓時，無論正電容如何變化，對電容值的影響不大，只有正向偏壓增大才會出現電容值為負值的情況，這也說明，器件中還存在著其他的原因導致的負電容，這也說明了小偏壓下電容為正值，反之為負值，通過發光實驗也能很好的證明這一點。由于本人的水平有限，還需要相關人士給予補充說明，本文僅為參考。

參考文獻

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[4]朱傳云.半導體發光二極管中的負電容現象[D].天津大學，2011.

半導體的特性范文第5篇

關鍵詞：熱敏電阻、非平衡直流電橋、電阻溫度特性

1、引言

熱敏電阻是根據半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關系而制成的一種器件，其電阻溫度系數一般為（-0.003~+0.6）℃-1。因此，熱敏電阻一般可以分為:

Ⅰ、負電阻溫度系數（簡稱NTC）的熱敏電阻元件

常由一些過渡金屬氧化物（主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物）在一定的燒結條件下形成的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近年還有單晶半導體等材料制成。國產的主要是指MF91~MF96型半導體熱敏電阻。由于組成這類熱敏電阻的上述過渡金屬氧化物在室溫范圍內基本已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關，因此這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要考慮遷移率與溫度的關系，隨著溫度的升高，遷移率增加，電阻率下降。大多應用于測溫控溫技術，還可以制成流量計、功率計等。

Ⅱ、正電阻溫度系數（簡稱PTC）的熱敏電阻元件

常用鈦酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，高溫燒制而成。這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對可以忽略。載流子數目隨溫度的升高呈指數增加，載流子數目越多，電阻率越小。應用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作溫度補償外，還制成各類加熱器，如電吹風等。

2、實驗裝置及原理

【實驗裝置】

FQJ—Ⅱ型教學用非平衡直流電橋，FQJ非平衡電橋加熱實驗裝置（加熱爐內置MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）以及控溫用的溫度傳感器），連接線若干。

【實驗原理】

根據半導體理論，一般半導體材料的電阻率 和絕對溫度 之間的關系為

（1—1）

式中a與b對于同一種半導體材料為常量，其數值與材料的物理性質有關。因而熱敏電阻的電阻值 可以根據電阻定律寫為

（1—2）

式中 為兩電極間距離， 為熱敏電阻的橫截面， 。

對某一特定電阻而言， 與b均為常數，用實驗方法可以測定。為了便于數據處理，將上式兩邊取對數，則有

（1—3）

上式表明 與 呈線性關系，在實驗中只要測得各個溫度 以及對應的電阻 的值，

以 為橫坐標， 為縱坐標作圖，則得到的圖線應為直線，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出參數 a、b的值。

熱敏電阻的電阻溫度系數 下式給出

（1—4）

從上述方法求得的b值和室溫代入式（1—4），就可以算出室溫時的電阻溫度系數。

熱敏電阻 在不同溫度時的電阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如右圖所示，B、D之間為一負載電阻 ，只要測出 ，就可以得到 值。

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當負載電阻 ，即電橋輸出處于開

路狀態時， =0，僅有電壓輸出，用 表示，當 時，電橋輸出 =0，即電橋處于平衡狀態。為了測量的準確性，在測量之前，電橋必須預調平衡，這樣可使輸出電壓只與某一臂的電阻變化有關。

若R1、R2、R3固定，R4為待測電阻，R4 = RX，則當R4R4+R時，因電橋不平衡而產生的電壓輸出為：

（1—5）

在測量MF51型熱敏電阻時，非平衡直流電橋所采用的是立式電橋 ， ，且 ，則

（1—6）

式中R和 均為預調平衡后的電阻值，測得電壓輸出后，通過式（1—6）運算可得R，從而求的 =R4+R。

3、熱敏電阻的電阻溫度特性研究

根據表一中MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻~溫度特性研究橋式電路，并設計各臂電阻R和 的值，以確保電壓輸出不會溢出（本實驗 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。

根據橋式，預調平衡，將“功能轉換”開關旋至“電壓“位置，按下G、B開關，打開實驗加熱裝置升溫，每隔2℃測1個值，并將測量數據列表（表二）。

表一 MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻～溫度特性

溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

電阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

表二 非平衡電橋電壓輸出形式（立式）測量MF51型熱敏電阻的數據

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

溫度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4

熱力學T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4

0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4

0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9

4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

根據表二所得的數據作出 ～ 圖，如右圖所示。運用最小二乘法計算所得的線性方程為 ，即MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）的電阻～溫度特性的數學表達式為 。

4、實驗結果誤差

通過實驗所得的MF51型半導體熱敏電阻的電阻—溫度特性的數學表達式為 。根據所得表達式計算出熱敏電阻的電阻～溫度特性的測量值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示：

表三 實驗結果比較

溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

參考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

測量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823

相對誤差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

從上述結果來看，基本在實驗誤差范圍之內。但我們可以清楚的發現，隨著溫度的升高，電阻值變小，但是相對誤差卻在變大，這主要是由內熱效應而引起的。

5、內熱效應的影響

在實驗過程中，由于利用非平衡電橋測量熱敏電阻時總有一定的工作電流通過，熱敏電阻的電阻值大，體積小，熱容量小，因此焦耳熱將迅速使熱敏電阻產生穩定的高于外界溫度的附加內熱溫升，這就是所謂的內熱效應。在準確測量熱敏電阻的溫度特性時，必須考慮內熱效應的影響。本實驗不作進一步的研究和探討。

6、實驗小結

通過實驗，我們很明顯的可以發現熱敏電阻的阻值對溫度的變化是非常敏感的，而且隨著溫度上升，其電阻值呈指數關系下降。因而可以利用電阻—溫度特性制成各類傳感器，可使微小的溫度變化轉變為電阻的變化形成大的信號輸出，特別適于高精度測量。又由于元件的體積小，形狀和封裝材料選擇性廣，特別適于高溫、高濕、振動及熱沖擊等環境下作溫濕度傳感器，可應用與各種生產作業，開發潛力非常大。

參考文獻：

[1] 竺江峰，蘆立娟，魯曉東。 大學物理實驗[M]

[2] 楊述武，楊介信，陳國英。普通物理實驗（二、電磁學部分）[M] 北京：高等教育出版社