半导体PN结物理特性实验智能化数据处理系数的制作
26页1、半导体PN结物理特性实验智能化数据处理系数的制作实验13半导体PN结的物理特性【实验目的】(1)测量半导体PN结电流与电压关系。(2)测定PN结温度传感器的灵敏度和玻尔兹曼常数。【实验原理】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结的正向电流一电压关系满足:UI=L(e1)(13.1)式中,I是通过PN结的正向电流,I0是反向饱和电流,在温度恒定时,I为常数,T是热力学温度,e是电子的电荷量,U为PN结正向压降。由于在常温 T=300K时,kT / e0.026V , U而PN结正向压降约为0.1V的数量级,则ekT冷1exp, (13.1)式括号内-1项完全可以忽略, 于是有:UI =IekT(13.2)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(13.1) 式可以求出e/kT。在测得温度 T后,就可以得到e/k常数,把电子电量作为已知值代入, 即可求得玻尔兹曼常数 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k往往偏小。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)
2、扩散电流,它严格遵循(13.2)式;eU(2)耗尽层符合电流,它正比于 e而; eU(3)表面电流,它是由 Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于e , 一般m2。因此,为了验证(13.2)式及求出准确的e/k常数,不宜采用硅二极管,而采用硅三极管接 成共基极线路,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(13.2)式。实验线路如图13.3所示。2.弱电流测量过去实验中10-6A 10-11A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10-9A/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,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、
3、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。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13.4所示。其中虚线框内电阻 乙为电流-电压变换器等效输入阻抗。 由图13.4可,运算放 大器的输入电压Uo为:U0 - -ktUiR图13.4电流一电压变换器式(13.3)中Ui为输入电压,Ko为运算放大器的开环电压增益,即图的电压增益,Rf称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗 流只流经反馈网络构成的通路。因而有:Ui -Uo Ui(I Ko)I s 二二13.4中电阻RfT8时 ,所以信号源输入电Rf由式(13.4)可得电流一电压变换器等效输入阻抗UiRfZr 二一=Is1 KoRfZr为RfKo(13.(4)(13.(5)由式(13.3)和式(13.4)可得电流一电压变换器输入电流Is输出电压Uo之间得关系式,即:,Uo(1Ko)Uo(11/Ko)I s KoRfRf(13.6)由(13.6)式只要测得输出电压 Uo和已知Rf值,即可求得Is值。以高输入阻抗集成运算放 大器LF356为例来讨论Zr和Is值得大小。对LF356运放
4、的开环增益 K=2X 1O5,输入阻抗 门=1O12 。若取 Rf为1.OOMQ,则由(5)式可得:r 1.OO 1O6, 、Zr =5 =5 ( Q )1 2 1O5若选用四位半量程 2OOmV数字电压表,它最后一位变化为O.O1mV ,那么用上述电流一电压变换器能显示最小电流值为:OO1 10 3V11(I s) min由此说明,用集成运算放大器组成电流 高的优点。:=1 10A1 106 c-电压变换器测量弱电流,具有输入阻抗小、灵敏度3. PN结的结电压Ube与热力学温度T关系测量。当PN结通过恒定小电流(通常电流I = 1 OOO A),由半导体理论可得 Ube与T近似(13.5)关系:Ube =ST Ugo式中S % -2.3mV/ C为PN结温度传感器灵敏度。由U。可求出温度0K时半导体材料的近似go禁带宽度Eg。=qUgo。硅材料的Eg。约为1.20eV。【实验内容】一、I c -U be关系测定,并进行曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数。(Ube =Ul )(1)实验线路如图10.3所示。图中Ui为三位半数字电压表,U2为四位半数字电压表, TIP31型为带散热板的
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