实验十 PN结物理特性测定.doc

实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 0 -一、概述一、概述半导体 PN 结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一本仪器用物理实验方法，测量 PN 结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量 PN 结结电压与热力学温度 T 的关系，求得该传感器的灵敏度，并近似beU求得 0K 时硅材料的禁带宽度2 2、、仪器简介仪器简介图 1 PN 结物理特性测定仪实验装置实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 1 -FD-PN-4 型 PN 结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成，如图 1 所示三、技术指标三、技术指标1．直流电源:±15V直流电源一组， 1.5V直流电源一组2．数字电压表:三位半数字电压表量程 0—2V ,四位半数字电压表量程 0—20V 3．实验板: 由运算放大器 LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成TIP31 型三极管外接4．恒温装置:干井式铜质可调节恒温,恒温控制器控温范围，室温至 80℃；控温分辨率 0.1℃；5．测温装置:铂电阻及电阻组成直流电桥测温 0℃（） 。

00.1000R四、实验项目四、实验项目1．测量 PN 结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律2．较精确地测量玻尔兹曼常数误差一般小于 2%)3．测量 PN 结结电压与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度beU4．近似求得 0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度5．学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法五、注意事项五、注意事项1．实验时接±12V或±15V，但不可接大于 15V电源±15V电源只供运算放大器使用，请勿作其它用途2．运算放大器 7 7 脚和脚和 4 4 脚分别接脚分别接+15+15V V和和-15-15V V，，不能反接，地线必须与电源 0V(地)相接(接触要良好)否则有可能损坏运算放大器，并引起电源短路一旦发现电源短路(电压明显下降),请立即切断电源3．要换运算放大器必须在切断电源条件下进行，并注意管脚不要插错元件标志点必须对准插座标志槽口4．必须经教师检查线路接线正确，学生才能开启电源，实验结束应先关电源，才能拆除接线实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 2 -实验十实验十 半导体半导体 PNPN 结的物理特性及弱电流测量实验结的物理特性及弱电流测量实验【【实验目的实验目的】】1．在室温时，测量 PN 结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。

2．在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3．学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4．测量 PN 结电压与温度的关系，求出该 PN 结温度传感器的灵敏度5．计算在 0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度实验原理实验原理】】1． PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足：(1) 10ktqU eII式中是通过 PN 结的正向电流，是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，是热力学温度，qI0IT是电子的电荷量，为 PN 结正向压降由于在常温(300K)时，≈0.026v ，而 PN 结正向压UqkT /降约为十分之几伏，则>>1，(1)式括号内－1 项完全可以忽略，于是有：)/exp(kTqU(2))(0kTqU eII 也即 PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化若测得 PN 结I-U关系值，则利用(1)式可以求出在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹kTe/Tke/曼常数k在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数往往偏小k这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。

一般它包括三个部分：1）扩散电流，它严格遵循(2)式；2）耗尽层符合电流，它正比于；3)表面电流，它是由硅和二氧)2/exp(kTqU化硅界面中杂质引起的，其值正比于实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 3 -，一般>2因此，为了验证(2)式及求出准确的 /常数，不宜采用硅二极管，)/exp(mkTqUmek而采用硅三极管接成共基极线路(只能放大电压，不能放大电流） ，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31 型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式2．弱电流测量过去实验中A-A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约6101110A/分度，但有许多不足之处，如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，910瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大使用和维修极不方便近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。

温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中RfIsKo-+U0U Ui iZ Zr rIs图 电流－电压变换器LF356 是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图 2所示其中虚线框内电阻为电流-电压变换器等效输入阻抗由图 2，运算放大器的输入电压rZ为：0U(3)iUKU00实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 4 -式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图 4 中电阻时的电压增益，iU0KfR称反馈电阻因为理想运算放大器的输入阻抗，所以信号源输入电流只流经反馈网络fRir构成的通路因而有：(4)firiSRKURUUI/ )1 (/ )(00由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为rZ(5)00/)1/(/KRKRIUZffsir由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流输出电压之间得关系式，即：zI0U(6)fffsRURKURKKUI// )/11 (/ )1 (00000由(6)式只要测得输出电压和已知值，即可求得值以高输入阻抗集成运算放大器 LF3560UfRsI为例来讨论和值的大小。

对 LF356 运放的开环增益，输入阻抗若rZsI5 0102K1210ir取为 1.00，则由(5)式可得：fRM5)1021/(1000. 156 rZ若选用四位半量程 200mV数字电压表，它最后一位变化为 0.01mV ，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：AVIs1163 min101)101/(1001. 0)(由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点3.PN 结的结电压与热力学温度 T 关系测量beU当 PN 结通过恒定小电流（通常电流） ，由半导体理论可得与 T 近似关系：AI1000beU（5）gobeUSTU实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 5 -式中 S≈－2.3为 PN 结温度传感器灵敏度由可求出温度 0K 时半导体材料的近似禁CmVo/goU带宽度＝硅材料的约为 1.20eVgoEgoqUgoE【【实验仪器实验仪器】】1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括±15V 直流电源、0－1.5V 及 3.0V 直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪） 。

2. TIP31 型三极管（带三根引线）1 个,3DG 三极管 1 个3. 干井铜质恒温器（含加热器）及小电风扇各 1 个4. 配件：LF356 运放各 2 块，TIP31 型三极管 1 只，引线 9 根；用户自配：ZX21 型电阻箱 1 只实验过程实验过程】】实验接线必须是在断电情况下进行实验接线必须是在断电情况下进行1）PN 结伏安特性测量关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数 （）becUI 1UUbe1MLF356-+74+15V-15V236ecbV V1 1V V2 2100Ω 1.5VTIP31T TI IP P3 31 1ebcLF35612 3487 65图 1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图1)实验线路如图 1 所示图中为三位半数字电压表，为四位半数字电压表，TIP31 型为1U2U带散热板的功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持 PN 结与周围环境一致，把TIP31 型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中,变压器油温度用铂电阻进行测量2)在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压和运放输出电压在常温下的1U2U1U实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 6 -值约从 0.3V至 0.42V范围每隔 0.01V测一点数据，约测 14 个数据点，至至值达到饱和时值达到饱和时( (值值2U2U变化较小或基本不变变化较小或基本不变),),结束测量结束测量。

在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度（室温室温） ，取温度平均值3)改变干井恒温器温度，待 PN 结与油温湿度一致时，重复测量和的关系数据，并与室1U2U温测得的结果进行比较4)曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差对已测得的和各对数据，以为自变量，作因变量，分别代入：(1)线性函1U2U1U2U数；(2)乘幂函数；（3）指数函数求出各函数相应baUU12baUU12)exp(12bUaU的和值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验方法是：把ab实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函* 2U数拟合的标准差：= niiinUU12*/)(式中为测量数据个数，为实验测得的因变量，为将自变量代入基本函数的因变量预期值，niU* iU最后比较哪一种基本函数为标准差最小，说明该函数拟合得最好5)计算常数，将电子的电量作为标准差代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。

ke/【【实验数据处理实验数据处理】】 （注：实验条件影响，以下数据仅供参考）（注：实验条件影响，以下数据仅供参考）1.关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数becUI 室温条件下: =25.90， =26.10，=26.001Co 2CoCo表 1 原始数据记录U U1 1/V/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U U2 2/V/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733实验十一 PN 结物理特性测定电磁学实验- 7 -U U1 1/V/V0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U U2 2/V/V1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.325以为自变量，为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合，结果见表 21U2U（1)线性函数；baUU12（2)乘幂函数；baUU12（3)指数函数)exp(12bUaU表 2 拟合数据计算（可在 matlab、excel 下计算并打印）线性回归线性回归U U2 2= =a a U U1 1+ +b b乘幂回归乘幂回归U U2 2= =a a U U1 1b b指数回归指数回归U U2 2= =expexp( (b b U U1 1) )n nU U1 1/ /V VU U2 2/ /V VU U2 2* */ /V V( (U U2 2- -U U2 。